Vật lí thực phẩm Lecture on applied physics in food

VẬTT LÝ THỰC
TH C PHẨM
PH M

Giảng viên: Trần Thị Định
Bộ môn Công nghệ chế biến
Khoa Công nghệ thực phẩm


Chuyên đề 1: Giới thiệu các khái niệm cơ bản
trong vật lý thực phẩm
Chuyên đề 2: Cân bằng vật chất, cân bằng
năng lượng
Chuyên đề 3: Truyền khối ứng dụng trong
CNTP
Chuyên đề 4: Truyền nhiệt ứng dụng trong
CNTP
Chuyên đề 5: Vận chuyển chất lỏng


Nguyễn Bin (2008). Các q trình, thiết bị trong cơng nghệ hoá chất
và thực phẩm. Nhà Xuất Bản Khoa Học và Kỹ Thuật.
Phạm Văn Vĩnh (1997). Cơ học chất lỏng ứng dụng. Nhà Xuất Bản
Giáo Dục.
Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú. Cơ sở kỹ thuật nhiệt. Nhà Xuất Bản
Giáo Dục.
Fellows. P. (2000). Food processing technology. 2nd ed. CRC Press,
New York, US.
Welti-Chanes. J., Velez-Ruiz. J.F., Barbosa-Canovas. V.G. (Editors)
(2003). Transport phenomena in food processing. 2nd ed. CRC
Press, New York, US.

Cengel. Y. A., Boles. M. A. (2002). Thermodynamics: an engineering
approach. 4th ed. Mc Graw Hill, New York, US.


Chuyên đề 1: Các khái niệm cơ
bản trong vật lý thực phẩm
Khái niệm cơ bản
Hệ đơn vị


I. Khái niệm
1.1. Các q trình
•

Nóng chảy và đơng đặc
–
–
–

•

Hóa hơi và ngưng tụ
–
–
–

•

Nóng chảy là q trình chuyển từ pha rắn sang pha lỏng
Đơng đặc là q trình chuyển từ pha lỏng sang pha rắn

Với H20: r = 333,37 kJ/kg
Hóa hơi là q trình chuyển từ pha lỏng sang pha hơi
Ngưng tụ là quá trình chuyển từ pha hơi sang pha lỏng
Với H20: r = 2258 kJ/kg

Thăng hoa và ngưng kết
–
–
–

Thăng hoa là quá trình chuyển từ pha rắn sang pha hơi
Ngưng kết là quá trình chuyển từ pha hơi sang pha rắn
Với H20: r = 2828,18 kJ/kg


I. Khái niệm
A

B

Đồ thị pha của nước

Phương trình Clausius - Clapeyron

dP
r
=
dT T ⋅ ∆V

Đồ thị áp suất hơi và nhiệt độ của nước

I. Khái niệm
1.2. Các thơng số trạng thái
•

Nhiệt độ
–
–

Là tính chất vật lý của vật chất, đặc trưng cho mức độ nóng
hay lạnh của vật thể.
3 đơn vị đo nhiệt độ thường dùng trong kỹ thuật
o

•

Áp suất
–
–

C

K = o C + 273
9
o
o
F = C ∗ + 32
5

Là lực tác dụng thẳng góc lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp
xúc: P = F / S
1 Pa = 1N/m2 = 10-5 bar = 7.5*10-3 mmHg = 1.02*10-4 mH2O

P = Pdu + Pa
Pck = Pa − P

P: áp suất tuyệt đối; Pdư: áp suất dư
Pa: áp suất khí quyển; Pck: áp suất chân không


I. Khái niệm
• Nội năng (U)
– Là tổng của nội động năng của chuyển động hỗn loạn bởi các
nguyên tử hay phân tử chứa trong vật và nội thế năng trong
các liên kết phân tử, tính trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm
của vật hay hệ vật lý.

• Enthalpy (H)
– Là hàm trạng thái nhiệt động của hệ, đối với một hệ nhiệt động
có thể trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh
– H = U + pV; trong đó U là nội năng, p - áp suất và V - thể tích.

•

Entropy (S)
– Là đại lượng đặc trưng cho trạng thái nhiệt động của một hệ.
– Đối với một quá trình thuận nghịch, dS = dQ/T; trong đó dQ là
lượng nhiệt trao đổi khi trạng thái của hệ thay đổi vô cùng nhỏ
ở nhiệt độ T

– Đối với một q trình khơng thuận nghịch S của hệ luôn tăng


Biểu đồ P-H của hơii (steam diagram)

I. Khái niệm

Subcooled Liquid

Superheated Vapors

C

A B
Mixture of Liquid & Vapors

Y

D


I. Khái niệm
1.3. Các trạng thái của nước
•

Nước bão hịa (nước sơi)
–
–

•

Hơi bão hịa khơ
–

•

Là nước khi bắt đầu q trình hóa hơi hoặc kết thúc ngưng tụ
Là phần nước cùng tồn tại với hơi
Là hơi ở trạng thái bắt đầu ngưng tụ, hoặc khi vừa hóa hơi
xong

Hơi bão hịa ẩm
–
–
–

Là hỗn hợp giữa hơi bão hịa khơ và nước bão hịa (nước sơi)
Tỷ số giữa khối lượng hơi bão hịa khơ và hơi bão hịa ẩm gọi
là độ khơ
Tỷ số giữa khối lượng nước sơi với hơi bão hịa ẩm gọi là độ
ẩm của hơi bão hòa ẩm.


I. Khái niệm
•

Nước chưa sơi
–

•

Là nước có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất
hoặc là nước có áp suất lớn hơn áp suất bão hịa ở cùng nhiệt
độ.

Hơi quá nhiệt
–

Là hơi có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bão hòa ở cùng áp suất hoặc
là hơi có áp suất nhỏ hơn áp suất bão hịa ở cùng nhiệt độ.


Biểu đồ P-H của hơii (steam diagram)

I. Khái niệm

Subcooled Liquid

Superheated Vapors

C

A B
Mixture of Liquid & Vapors

Y

D

1. Khái niệm

Biểu đồ H-s
sc
của hơi


I. Khái niệm
• Từ biểu đồ P-H và H-s ta thấy:
– Nhiệt độ tăng khi áp suất tăng
– Enthalpy của hơi bão hịa thay đổi rất ít khi thay đổi nhiệt độ
– Nhiệt ẩn giảm khi nhiệt độ tăng

• Cơng thức tính enthalpy của một điểm bất kì trong vùng
hỗn hợp nước và hơi
H = Hc + xs(Hv – Hc)
H: enthalpy của hỗn hợp lỏng và hơi (kJ)
Hc: enthalpy của nước ngưng (kJ)
Hv: enthalpy của hơi (kJ)
xs: chất lượng hơi (%)


Tính chất của
ủa h
hơi bão hịa


ble)
Tính chất của hơi quá nhiệt

Continued...
cc


I. Khái niệm
1.4. Các khái niệm khác
•

Năng suất
–

•

Là đặc trưng cơ bản của thiết bị và máy, là lượng vật liệu vào hoặc
sản phẩm ra tính theo một đơn vị thời gian: kg/h; l/h; m3/s etc.

Hiệu suất
– Là tỷ lệ phần trăm giữa lượng sản phẩm thu được so với lượng
nguyên liệu đầu được đưa vào thiết bị.

• Cường độ sản xuất
– Là năng suất dựa trên đại lượng nào đó đặc trưng cho máy
• VD: cường độ sản xuất của thiết bị cô đặc là lượng nước bốc hơi trên 1 m2 gia
nhiệt của thiết bị trong 1 đơn vị thời gian.

• Cơng suất
– Là lượng cơng do thiết bị, máy sinh ra trong 1 đơn vị thời gian
– Tỷ lệ giữa cơng suất có ích và cơng suất thực tiêu tốn gọi là hiệu
suất của máy và thiết bị.

I. Khái niệm
• Hệ
– Là một phần vũ trụ, là đối tượng của nghiên cứu về mặt nhiệt động
học. Tất cả phần ngồi hệ gọi là mơi trường.
– Gồm hệ cơ lập, hệ kín, và hệ hở

• Pha
– Là tập hợp mọi phần đồng thể của hệ, mọi điểm trong pha có các
tính chất nhiệt động, vật lý, hố học và thành phần như nhau, giữa
các pha có bề mặt phân cách, qua bề mặt đó các tính chất của hệ
biến thiên đột ngột.
– Vd: nước lỏng và nước đá tạo thành hệ dị thể hai pha: rắn và lỏng

• Cấu tử
– Là hợp phần mà thành phần các pha trong hệ được xác định bởi
nồng độ của nó.


I. Khái niệm
• Khí lý tưởng
–

–
–

•

Mật độ các hạt nhỏ, khoảng cách giữa các hạt lớn, tác dụng

tương hỗ giữa các hạt nhỏ và chuyển động nhiệt của các hạt
chiếm ưu thế.
Động năng trung bình của các hạt lớn hơn nhiều so với thế
năng trung bình giữa chúng.
Các phân tử khí chuyển động tự do, hỗn loạn theo mọi
phương (chuyển động Brown)

Dung dich lý tưởng
– Là dung dịch có các tính chất nhiệt động học tương tự như của
khí lý tưởng


II. Hệ đơn vị
2.1. Hệ đơn vị CGS (centimét – gam – giây)
–

Dùng chủ yếu trong các phép đo vật lý.

2.2. Hệ đơn vị MKGS (mét – kilôgam lực – giây)
–

Dùng trong các phép đo kỹ thuật

2.3. Hệ đơn vị SI (International Standard of Units) (mét –
kilôgam khối lượng – giây)
–
–
–

Được sử dụng rộng rãi nhất

Là hệ thu gọn của MKGS
SI được xây dựng dựa trên:
•
•
•

7 đơn vị đo lường cơ bản: kilôgam, mét, giây, ămpe, kelvin, mol, và
candela.
Một số đơn vị dẫn xuất: m/s, J/s, Pa, N, W/mK, etc.
Các tiền tố: tạo ra bội số hoặc ước số của đơn vị đo


II. Hệ đơn vị
Hệ đơn vị đo SI của một số đại lượng thường dùng
Đại lượng

Ký hiệu

Đơn vị

Chiều dài

ℓ

m

Khối lượng

m

kg

Thời gian

t

s

Cường độ dòng điện

I

A

Nhiệt độ

T

K, oC

Cường độ sáng
Lượng chất
Áp suất
Nhiệt dung riêng
Độ nhớt động lực
Hệ số dẫn nhiệt
Hệ số khuyếch tán

Iv
mol

P
C
µ
λ
D

Cd
mol
N/m2
J/kgK (J/kg.oC)
N.s/m2
W/m.K (W/m.oC)
m2/s

Website để chuyển đổi đơn vị: />

II. Hệ đơn vị
Những tiền tố tiêu chuẩn trong hệ đo lường SI
Bội
số

Tên

deca

hecto

kilo

mega

giga

tera

peta

exa

zetta

yotta

Kí hiệu

da

h

k

M

G

T

P

E

Z

Y

101

102

103

106

109

1012

1015

1018

1021

1024

Tên

deci

centi

mili

micro

nano

pico

femto

atto

zepto

yocto

Kí hiệu

d

c

m

µ

n

p

f

a

z

y

10-1

10-2

10-3

10-6

10-9

10-12

10-15

10-18

10-21

10-24

Hệ số

Ước
số

Hệ số

!

100

100

+ Trong phương trình toán biểu thị mối tương quan giữa các đại
lượng, bắt buộc phải có sự đồng nhất của các đại lượng tham gia
phương trình đó
+ Phải có sự đồng nhất về đơn vị của các đại lượng tham gia vào
phương trình.

Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5
(kJ) (kJ) (kJ) (kJ) (kJ)


Chuyên đề 2: Cân bằng vật
chất, cân bằng năng lượng
Cân bằng vật chất
Cân bằng năng lượng
Bài tập ứng dụng


I. Cân bằng vật chất (mass balance)

• General mass balance equation:
Input + generation − output − consumption = accumulation
System boundary

input

system

output

• For steady-state continous process: accumulation = 0
Input + generation = output + consumption
• If no chemical reaction:
Input = output