Giáo trình kỹ thuật thực phẩm

LỜI NÓI ĐẦU
Trong công nghệ sản xuất thực phẩm, người ta áp dụng nhiều biện pháp kỹ
thuật khác nhau nhằm làm biến đổi vật liệu để tạo ra các sản phẩm thực phẩm. Việc
tìm hiểu và nắm vững cơ sở lý thuyết của các quá trình công nghệ, nguyên lý làm việc
của các thiết bị, cách tiến hành và phương pháp tính toán các quá trình công nghệ là
cần thiết đối với các cán bộ, kỹ thuật viên công tác trong lĩnh vực thực phẩm.
Học phần “Kỹ thuật thực phẩm” là một học phần thuộc khối kiến thức chuyên
môn trong chương trình giáo dục ngành Công nghệ thực phẩm, trình độ cao đẳng.
Trường Cao đẳng Lương thực Thực phẩm tổ chức biên soạn giáo trình “Kỹ thuật thực
phẩm” để làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm và là tài liệu
để cho giảng viên tham khảo khi giảng dạy học phần nói trên. Nội dung giáo trình “Kỹ
thuật thực phẩm” này trình bày các kiến thức về các kỹ thuật xử lý, chế biến được sử
dụng trong công nghiệp chế biến thực phẩm. Trong mỗi chương của giáo trình đều
trình bày các kỹ thuật xử lý nguyên liêu, thực phẩm thường được áp dụng trong công
nghiệp chế biến thực phẩm. Mỗi kỹ thuật xử lý, chế biến có nêu cơ sở lý thuyết của
quá trình công nghệ, giới thiệu nguyên lý làm việc của các máy và thiết bị dùng thực
hiện quá trình công nghệ, ảnh hưởng của các kỹ thuật chế biến đến đặc tính cảm quan
và giá trị dinh dưỡng của các thực phẩm được chế biến. Ngoài ra, trong giáo trình còn
giới thiệu các công thức cần thiết dùng để tính toán một số thông số của quá trình. Tuy
nhiên, đối với sinh viên trình độ cao đẳng, việc tính toán chỉ giới hạn ở một số thông
số cần thiết và mức độ đơn giản.
Nội dung giáo trình này gồm 2 phần và 14 chương. Phần I trình bày những kiến
thức chung của các kỹ thuật xử lý, chế biến; phần II trình bày kiến thức của từng kỹ
thuật xử lý, chế biến áp dụng trong công nghiệp thực phẩm. Bố cục của giáo trình này
như sau:
PHẦN I. NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG
Chương1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỰC PHẨM
Chương 2. CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT THỰC PHẨM
PHẦN II. CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ, CHẾ BIẾN THỰC PHẨM
Chương 3. PHÂN RIÊNG HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT
Chương 4. PHỐI TRỘN, PHÂN LOẠI

Chương 5. ÉP, LÀM NHỎ KÍCH THƯỚC
Chương 6. THANH TRÙNG, TIỆT TRÙNG
Chương 7. BỐC HƠI (CÔ ĐẶC)
Chương 8. CHẦN, HẤP, CHIÊN, NƯỚNG
Chương 9. LẠNH VÀ LẠNH ĐÔNG
Chương 10. CHƯNG CẤT
Chương 11. TRÍCH LY
Chương 12. HẤP THỤ, HẤP PHỤ, TRAO ĐỔI ION
9


Chương 13. KẾT TINH
Chương 14. SẤY
Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm này cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho
sinh viên ngành Công nghệ sinh học của nhà trường và những người có liên quan đến
lĩnh vực chế biến thực phẩm.
Trong quá trình biên soạn giáo trình này, mặc dù đã cố gắng song không tránh
khỏi thiếu sót. Chúng tôi trân trọng và cám ơn những góp ý của đồng nghiệp, sinh viên
và bạn đọc để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn. Những ý kiến đóng góp về giáo
trình này xin gửi về: Bộ môn Quá trình và thiết bị thực phẩm, khoa Công nghệ chế
biến và bảo quản lương thực-thực phẩm, trường Cao đẳng Lương thưc-Thực phẩm;
101B – Lê Hữu Trác, quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng.

CÁC TÁC GIẢ

10


11

PHẦN I. NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỰC PHẨM
1. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
1.1. Khái niệm về kỹ thuật và công nghệ

Trong những ngày đầu công nghiệp hóa, người ta sử dụng rất phổ biến thuật
ngữ "kỹ thuật" với ý nghĩa là các giải pháp thực hiện một loại công việc hay công cụ
được sử dụng trong sản xuất làm tăng hiệu quả sản xuất. Như vậy, có thể xem phạm
trù “kỹ thuật” có 2 yếu tố :
- Phương pháp hay qui trình sản xuất.
- Công cụ hay phương tiện sản xuất.
Khái niệm “công nghệ” lúc đầu được hiểu là phương pháp, thủ tục hay qui trình
kỹ thuật dùng trong dây chuyền sản xuất. Như vậy, theo nghĩa hẹp thì "công nghệ" là
một bộ phận của phạm trù "kỹ thuật".
Về sau, khái niệm công nghệ được hiểu rộng hơn và dần dần ổn định như ngày
nay.
- Phạm trù công nghệ bao gồm 4 yếu tố cơ bản của quá trình sản xuất là:
+ Vật liệu và quá trình biến đổi của vật liệu
+ Phương pháp hay qui trình sản xuất.
+ Công cụ hay phương tiện sản xuất.
+ Điều kiện kinh tế, chủ yếu là tổ chức sản xuất.
Theo quan điểm hệ thống, có thể mô tả khái niệm “công nghệ” theo sơ đồ sau:

Biến đổi vật liệu
Vật liệu

Sản phẩm

Phương pháp sản xuất

Phương tiện sản xuất

Tổ

chức

Theo sơ đồ trên thì vật liệu - đầu vào của hệ thống, qua quá trình xử lý dưới sự
tương tác của 3 yếu tố là: phương pháp sản xuất, phương tiện sản xuất và tổ chức sản
xuất bị biến đổi tạo thành sản phẩm - đầu ra của hệ thống.
Để hệ thống làm việc hiệu quả thì cần có hệ thống kiểm tra hoặc điều chỉnh các
yếu tố công nghệ. Hệ kiểm tra chịu tác động trực tiếp của đặc điểm nguyên liệu và tác
động liên hệ ngược của đặc điểm sản phẩm.
- Theo định nghĩa mà Trung tâm chuyển giao công nghệ châu Á - Thái Bình
Dương đề xướng, công nghệ sản xuất là tất cả những gì liên quan đến việc biến đổi tài
nguyên ở đầu vào thành hàng hóa ở đầu ra. Hệ thống công nghệ sản xuất bao gồm:
12


+ Các máy móc, thiết bị của dây chuyền sản xuất (phần kỹ thuật)
+ Thông tin về qui trình sản xuất (phần thông tin)
+ Trình độ tay nghề, kỹ năng của người lao động (phần con người)
+ Trình độ tổ chức quản lý, điều hành sản xuất (phần tổ chức)
Như vậy, theo quan điểm này thì phạm trù "công nghệ" có thêm yếu tố con
người.
Theo khái niệm "công nghệ" ngày nay (nghĩa rộng) thì "kỹ thuật" là một bộ
phận của phạm trù "công nghệ".
Khái niệm công nghệ được sử dụng rộng rãi vào các lĩnh vực của cuộc sống con
người, không chỉ trong sản xuất vật chất mà còn trong các hoạt động xã hội. Ví dụ:
công nghệ thông tin, công nghệ giáo dục,…Tuy nhiên công nghệ luôn gắn chặt với
công nghiệp. Công nghệ là nền tảng của công nghiệp, còn công nghiệp là phương thức

chuyển tải công nghệ vào cuộc sống.
1.2. Phân loại các phương pháp công nghệ

Trong sản xuất thực phẩm, người ta áp dụng nhiều phương pháp công nghệ
khác nhau. Có thể phân chia các phương pháp đó thành nhiều loại như sau:
1.2.1. Phân loại các phương pháp công nghệ theo trình tự thời gian
Cách phân loại này dựa vào trình tự thời gian từ lúc nguyên liệu ban đầu được
đưa vào quá trình chế biến cho đến khi được sử dụng.
-Thu hoạch hay thu nhận nguyên liệu
-Bảo quản nguyên liệu tươi hay bán chế phẩm
-Chế biến
-Bảo quản thành phẩm
-Xử lý thực phẩm trước khi sử dụng
Phân loại kiểu này phù hợp với việc tổ chức sản xuất hoặc bố trí lao động
1.2.2. Phân loại theo trình độ sử dụng công cụ
Cách phân loại này dựa vào mức độ thay thế sức lao động của con người bằng
máy móc, thiết bị
- Phương pháp thủ công
- Phương pháp cơ giới hóa
- Phương pháp tự động hóa
Phân loại kiểu này liên quan đến năng suất lao động
1.2.3. Phân loại theo sử dụng năng lượng
Cách phân loại này dựa vào nguồn năng lượng được sử dụng trong quá trình
chế biến. Nguồn năng lượng được tạo ra có thể do tác nhân vật lý, quá trình hóa học
hay sinh học. Theo cách phân loại này, các quá trình hay phương pháp công nghệ thực
phẩm thường gặp là:

13

- Các quá trình cơ học: nghiền, ép, sàng, lọc…
- Các quá trình nhiệt: sấy, chưng cất, cô đặc…
- Các quá trình hóa sinh, sinh tổng hợp, tự phân…
1.2.4. Phân loại theo tính chất liên tục
Phương pháp công nghệ là gián đoạn, bán liên tục hay liên tục. Phân loại kiểu
này liên quan đến việc tổ chức thực hiện các qui trình hay quá trình công nghệ.
1.2.5. Phân loại theo trạng thái ẩm của thực phẩm
- Phương pháp khô (rây, nghiền nhỏ, sấy khô…)
- Phương pháp ướt (lắng lọc, trích ly…)
Sự phân loại này chủ yếu dựa trên yêu cầu sử dụng nước trong các quá trình
công nghệ, phần lớn chúng thuộc về công nghệ gia công.
1.2.6. Phân loại theo mục đích của quá trình
- Phương pháp chuẩn bị bao gồm các phương pháp như : phân loại, tách tạp
chất, tạo hình, đun nóng… Phương pháp chuẩn bị nhằm biến đổi các tính chất vật lý
của nguyên liệu hay bán chế phẩm, nhằm đạt được các thông số thuận lợi để tiến hành
phương pháp hay quá trình chủ yếu tiếp theo.
- Phương pháp khai thác bao gồm các phương pháp như: chưng cất, cô đặc,
ép… Phương pháp khai thác nhằm tăng giá trị vật liệu, làm giàu các chất dinh dưỡng
trong thực phẩm. Phương pháp khai thác chỉ làm vật liệu biến đổi các tính chất vật lý,
hóa lý.
- Phương pháp chế biến bao gồm các phương pháp như: nấu chín, chiên, thủy
phân, lên men, … Phương pháp chế biến làm vật liệu biến đổi về thành phần hóa học,
tính chất vật lý và hóa học nhằm tạo ra tính chất mới của sản phẩm.
- Phương pháp bảo quản bao gồm các phương pháp như : thanh trùng, lạnh
đông, làm khô,…: Phương pháp bảo quản nhằm giảm thấp nhất sự thất thoát các giá trị
dinh dưỡng, giữ ổn định các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu, kéo dài thời gian sử
dụng vật liệu.
- Phương pháp hoàn thiện bao gồm các phương pháp như: bao gói, dán nhãn,…
Phương pháp hoàn thiện nhằm tạo điều kiện để bảo quản, vận chuyển dễ dàng hoặc tạo
cho sản phẩm có hình thức thích hợp, tăng giá trị sản phẩm. Phương pháp này làm sản

phẩm thay đổi tính chất cảm quan là chính.
1.2.7. Phân loại các phương pháp công nghệ theo qui luật khoa học tự nhiên
Theo quan điểm công nghệ này người ta có thể kể đến các loại phương pháp
công nghệ sau đây :
- Các phương pháp vật lý (cơ học, nhiệt…)
- Các phương pháp hóa lý (chưng cất, hấp phụ)
- Các phương pháp hóa học (thủy phân, axit hóa, trung hòa)
- Các phương pháp hóa sinh (dấm chín, ủ)
14


- Các phương pháp sinh học (lên men, sát trùng)
Cách phân loại này thể hiện được bản chất của phương pháp, do vậy dễ dàng
tìm được cơ sở tối ưu hóa các quá trình đó.
Bảng 1.1. Phân loại các quá trình theo qui luật khoa học tự nhiên và theo mục đích
công nghệ
Phân loại các quá trình
theo qui luật khoa học tự
nhiên

Phân loại các quá trình theo mục đích công nghệ
Chuẩn bị Khai
thác

Chế
biến

Bảo
quản

Hoàn
thiện

Các quá trình vật lý
Các quá trình cơ học:
- Làm sạch

x

- Phân chia

x

- Phối chế

x

x

- Định hình

x

x

x

- Bài khí

x

x

x
x

x

Các quá trình nhiệt
- Làm nguội

x

x

- Làm lạnh đông

x

x

- Đun nóng

x

x

x

- Nấu chín

x

x

x

- Hấp

x

x

x

- Chiên

x

x

x

- Nướng

x

x

x

Các quá trình hóa lý
- Chưng cất

x

- Cô đặc

x

x

x

x

- Hấp phụ

x

x

- Trích ly

x

- Làm khô

x

Các quá trình hóa học
- Thủy phân

x

- Acid hóa

x

x

x

x

- Ướp muối

x

- Nhuộm màu

x

15

x


Phân loại các quá trình
theo qui luật khoa học tự

nhiên

Phân loại các quá trình theo mục đích công nghệ
Chuẩn bị Khai
thác

Chế
biến

Bảo
quản

Hoàn
thiện

Các quá trình hóa sinh và
sinh học
- Ủ chín

x

x

x

x

- Lên men

x

x

x

x

- Sát trùng

x

x

1.3. Phân loại các quá trình công nghệ

Với cách phân loại các phương pháp công nghệ như trên ta thấy: Trong mỗi
phương pháp có nhiều quá trình có bản chất gần giống nhau (như quá trình thủy phân,
trung hòa trong phương pháp hóa học), nhưng cũng có thể có các quá trình có bản chất
khác nhau rất nhiều (như quá trình cơ học, quá trình nhiệt trong phương pháp vật lý).
Trong sản xuất thực phẩm có nhiều quá trình công nghệ khác nhau. Và để dễ dàng
hiểu được bản chất của của các quá trình, người ta chia quá trình thành các nhóm dựa
vào các qui luật đặc trưng. Trong từng nhóm quá trình là các quá trình cụ thể thường
gặp trong công nghệ thực phẩm. Đó là các nhóm:
1.3.1. Các quá trình thủy lực
- Quá trình nén khí, vận chuyển chất lỏng, khuấy trộn chất lỏng
- Quá trình lắng, lọc, ly tâm (phân riêng hệ không đồng nhất).
1.3.2. Các quá trình cơ học
- Quá trình nghiền, ép, phân chia.
- Quá trình phối trộn
1.3.3. Các quá trình nhiệt và truyền nhiệt

- Quá trình đun nóng, làm nguội và ngưng tụ.
- Quá trình làm lạnh.
- Quá trình rán, chiên, nướng, sao rang.
1.3.4. Quá trình hóa lý
- Quá trình trích ly.
- Quá trình chưng cất.
- Quá trình cô đặc, keo tụ, kết tinh.
- Quá trình sấy.
- Quá trình hấp phụ
1.3.4. Các quá trình hóa học
- Quá trình thủy phân.
- Quá trình thay đổi màu.
16


1.3.5. Các quá trình sinh học và hóa sinh
- Quá trình chín sau thu hoạch.
- Quá trình lên men.
1.4. Khái niệm công nghệ gia công và công nghệ chế biến

Phân biệt khái niệm công nghệ gia công và công nghệ chế biến.
Gia công: là phương pháp biến đổi vật liệu từ trạng thái này sang trạng thái
khác nhưng chưa đạt được trạng thái cuối cùng cần yêu cầu của vật liệu hay của sản
phẩm.
Chế biến : là phương pháp biến đổi vật liệu cho đến khi đạt được trạng thái cuối
cùng cần yêu cầu của vật liệu hay của sản phẩm.
Ví dụ : Chế biến :

Mì sợi.

Bôt mì

Gia công :

Nhào bột, cán bột nhào, cắt sợi, hấp...

Chế biến :

Thóc

Gia công :

làm sạch, phân loại, bóc vỏ, xát trắng...

Gạo

Như vậy chế biến gồm nhiều giai đoạn gia công, có thể mô tả như sau:
Nguyên
liệu

Gia công
1

Gia công
2

Gia công
3

Sản

phẩm

Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ chế biến
2. CÁC CHÚ Ý VỀ TRANG THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

- Chức năng của thiết bị
Khi chọn thiết bị để thực hiện các quá trình công nghệ thực phẩm cần chú ý các
chức năng:
+ Thiết bị chuyên môn hóa hay thiết bị vạn năng? Trong công nghệ thực phẩm,
người ta sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau, áp dụng các qui trình công nghệ
khác nhau cho nên việc sử dụng các thiết bị chuyên môn hóa hay vạn năng có ý nghĩa
đến việc tổ chức sản xuất và đầu tư thiết bị kỹ thuật. Thông thường nên chọn loại thiết
bị có nhiều tính năng và xử lý được nhiều loại nguyên liệu khác nhau thì có lợi hơn.
+ Thiết bị, máy móc để kiểm tra hay điều khiển các quá trình công nghệ (thiết
bị, dụng cụ đo các thông số kỹ thuật) làm việc tự động hay bán tự động?
- Vật liệu chế tạo thiết bị
Chọn loại thiết bị được chế tạo từ vật liệu chống ăn mòn, chống oxy hóa, như thép
không gỉ (inox), chất dẻo, vật liệu có tráng men hoặc vecni thực phẩm... để tránh sự
biến đổi các chỉ tiêu lý, hóa và bảo đảm được vệ sinh, an toàn thực phẩm.
- Tính liên tục và tự động hóa của dây chuyền sản xuất
Trong sản xuất thực phẩm, việc tự động hóa và thực hiện quá trình liên tục là
17


nhiệm vụ cần tính đến. Tuy nhiên, vẫn có một số quá trình phải thực hiện thủ công,
gián đoạn mà chưa có thiết bị nào thay thế được.
Ngoài ra, yêu cầu thiết bị, dụng cụ phải phù hợp với thao tác của người lao
động và điều kiện khí hậu, đảm bảo tính liên tục của dây chuyền sản xuất.
3. TỔ CHỨC KINH TẾ TRONG KỸ THUẬT THỰC PHẨM

Các yếu tố cơ bản trong quá trình tái sản xuất là: sức lao động, đối tượng lao
động và công cụ lao động.
3.1. Sức lao động

Sự chuyên môn hóa và tổ chức lao động trong ngành công nghiệp thực phẩm rất
khác nhau. Tùy thuộc vào sự khác nhau về nguyên liệu và sản phẩm, số lượng sức lao
động phụ thuộc vào trình độ cơ giới hóa và tự động hóa.
Trong ngành công nghiệp thực phẩm cũng như các ngành công nghiệp khác,
lĩnh vực khoa học – tổ chức lao động đã tập trung phát triển theo các hướng như sau:
- Tăng năng suất lao động và giảm chi phí lao động bằng cách cơ giới hóa hay
tự động hóa. Trong chế biến thực phẩm, vấn đề này thường được tập trung vào giải
quyết cho các quá trình vận chuyển, chuẩn bị và hoàn thiện.
- Cải tiến điều kiện lao động bằng các biện pháp bảo hộ lao động chống lại hiện
tượng mệt mỏi của người lao động vì nóng ẩm, ồn và đồng thời thực hiện các biện
pháp vệ sinh trong sản xuất.
- Điều hòa phân phối hợp lý sức lao động phụ thuộc vào tính chất thời vụ của
sản xuất thực phẩm.
3.2. Đối tượng lao động

Muốn đạt được hiệu quả cao trong sản xuất, tổ chức cung cấp và sử dụng vật tư
thì cần thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản là :
- Sử dụng tổng hợp các biện pháp để giảm chi phí nguyên vật liệu đến mức thấp
nhất nhằm giảm giá thành của một đơn vị sản phẩm.
- Đảm bảo sự liên tục của quá trình tái sản xuất.
Để thực hiện hai nhiệm vụ trên cần phải tiến hành các biện pháp như sau :
- Ổn định việc thay thế và cung cấp nguyên vật liệu. Đối với ngành công nghiệp
thực phẩm phải đặc biệt chú ý tới tính thời vụ, như trong chế biến lương thực, rau quả,
đường... Ở đây việc bảo quản nguyên liệu, hay bán chế phẩm có ý nghĩa đặc biệt quan
trọng.
- Tiêu chuẩn hóa nguyên liệu và sản phẩm, đồng thời tăng cường sử dụng các

hệ thống kiểm tra chất lượng.
- Tận dụng triệt để nguyên liệu.
- Sử dụng các kết cấu tiết kiệm vật liệu trong xây dựng cơ bản, chế tạo thiết bị
và trong tổ chức qui trình, đồng thời sử dụng các phương tiện hiện đại.

18


3.3. Công cụ lao động

Tức là công cụ sản xuất, bao gồm các loại trang thiết bị máy móc và phương
tiện vận chuyển. Trong vấn đề này phải luôn tính đến hiệu quả đầu tư của việc thay đổi
trang bị kỹ thuật. Vì vậy, trong nhiều trường hợp trong cùng một đơn vị sản xuất người
ta đồng thời sử dụng các loại thiết bị, máy móc có trình độ hiện đại khác nhau.
4. ĐƠN VỊ VÀ THỨ NGUYÊN
4.1. Định nghĩa thuật ngữ

Thứ nguyên: dùng để chỉ một đại lượng vật lý đang xem xét, ví dụ: thời gian,
khoảng cách, khối lượng,...
Đơn vị: dùng để chỉ độ lớn của thứ nguyên đang xem xét, ví dụ: mét (m) đối
với chiều dài, kilogam (kg) đối với khối lượng.
Đơn vị cơ bản: là độ lớn của những thứ nguyên độc lập, thứ nguyên duy nhất,
ví dụ: đơn vị của chiều dài, đơn vị của khối lượng và đơn vị của thời gian.
Đơn vị dẫn xuất: là đơn vị được suy ra từ các đơn vị cơ bản, do sự phối hợp các
thứ nguyên khác nhau. Ví dụ: đơn vị của lực là N (Newton) được suy ra từ ba đơn vị
cơ bản của các thứ nguyên là khối lượng, chiều dài và thời gian, N = kg.m/s2
Độ chính xác: mức độ sai lệch của phép đo so với giá trị trung bình, thường
được biểu diễn bằng ký hiệu ± giá trị nhỏ nhất của đơn vị có thể định lượng được
4.2. Các hệ thống đo lường

Có nhiều hệ thống đo lường khác nhau được sử dụng. Các hệ thống này khác
nhau về việc sử dụng các đơn vị cơ bản. Hệ mét (metric) bao gồm hệ cgs và mks.
Trong kỹ thuật, sử dụng phổ biến hệ “mks”, trong khi đó nghiên cứu khoa học sử dụng
phổ biến hệ “cgs”. Hệ thống các đơn vị đo lường được dùng trên thế giới là hệ SI (viết
tắt từ chữ Systeme International d’ Unites) được dùng cả trong nghiên cứu khoa học và
trong kỹ thuật. Một số hệ thống đo lường được trình bày ở bảng 1.2.
Bảng 1.2. Các hệ thống đo lường
Hệ
thống
đo
lường

Lĩnh
vực áp
dụng

Thứ nguyên
Chiều dài

Khối
lượng

Thời
gian

Nhiệt
độ

Lực

Năng lượng

Hệ mét
(Metric)
cgs
mks

Khoa
học

Centimet

Gam

Giây

(cm)

(g)

(s)

Kỹ
thuật

Mét

Kilogam

Giây

(m)

(kg)

(s)

19

o

C

Dyne

Calorie
(cal)

o

C

Kilogam Kilocalorie
lực
(kcal)
(kG)


Hệ quốc
tế (SI)

Khoa
học, kỹ
thuật và
đời
sống

Mét

Kilogam

Giây

(m)

(kg)

(s)

o

F

Newton

Joule

(N)

(j)

4.3. Hệ SI

4.3.1. Các đơn vị trong hệ SI và ký hiệu của chúng
SI sử dụng các đơn vị cơ bản và các tiếp đầu ngữ để biểu thị số lượng. Tất cả
các thứ nguyên có thể được biểu diễn hoặc bằng đơn vị cơ bản hoặc bằng đơn vị dẫn
xuất (do sự kết hợp của các đơn vị cơ bản). Các đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn xuất cùng
với tên gọi của chúng cho ở bảng (1.3).
Bảng 1.3. Các đơn vị cơ bản của SI và các đơn vị dẫn xuất
Đại lượng

TT

Tên đơn vị

Ký hiệu

mét

m

Công thức

1

Chiều dài

2

Khối lượng

kilogam

kg

3

Cường độ dòng điện

Ampere

A

4

Nhiệt độ

Kelvin

K

5

Lượng vật chất

mole

mol

6

Thời gian

second (giây)

s

7

Độ sáng

Candela

cd

8

Lực

Newton

N

kg m/s2

9

Áp suất

Pascal

Pa

N/m2

10

Năng lượng, công

Joule

J

kg.m2/s2= N.m

11

Công suất

Watt

W

J/s

12

Điện thế

volt

V

W/A

13

Điện trở

ohm

14

Độ phóng xạ

Becquerel

Bq

1/s

15

Liều hấp thu

Gray

Gy

J/kg

16

Vận tốc

mét/giây

V/A

m/s

Nguồn: American National Standard, 1976. Metric Practice. IIEE Std. 268-1976.
Institute of Electricaland Electronics Engineers, New York.
Ghi chú: 6 đơn vị thứ tự từ 1 đến 6 là 6 đơn vị cơ bản

20


4.3.2. Bội số và ước số của các đơn vị
Một thứ nguyên được biểu diễn bằng một số và một đơn vị. Đối với các đơn vị
cơ bản và các các đơn vị dẫn xuất đã được đặt tên, người ta có thể dùng các tiền tố
(tiếp đầu ngữ) chỉ số lượng, có độ lớn bội số của 10, đặt trước các đơn vị.
Các tiếp đầu ngữ chỉ số lượng được khuyến cáo sử dụng như ở bảng 1.4.
Bảng 1.4. Các tiếp đầu ngữ được khuyến cáo sử dụng trong SI
Tiền tố

Bội số

Ký hiệu

tera

1012

T

giga

109

G

mega

106

M

kilo

1000

k

deci

10−1

d

centi

10−2

c

milli

10−3

m

micro

10−6

μ

nano

10−9

n

pico

10−12

p

femto

10−15

f

Ghi chú: ký hiệu của tiền tố được viết hoa khi bội số từ 106 trở lên, viết thường
khi bội số nhỏ hơn 106.
Lưu ý các trường hợp sau:
10.000 cm thì không ghi là 10 kcm mà có thể là 100 m
0,000001 m là 1 μm.
3000 m3 không được viết là 3 km3.
10.000 N/m2 có thể viết 10 kPa nhưng không viết 10 kN/m2.
4.3.3. Sự chuyển đổi các đơn vị
Để chuyển đổi các đơn vị được dễ dàng là dùng hệ số chuyển đổi đơn vị, suy ra
từ phương trình thứ nguyên.
Phương trình thứ nguyên là phương trình chứa cả các số và các đơn vị của thứ
nguyên. Các đơn vị trong phương trình thứ nguyên được xử lý như các số hạng đại số.
Tất cả các phép toán thực hiện trên các số cũng được thực hiện đối với các đơn vị
tương ứng của chúng. Các số có thể xem như một hệ số của một ký hiệu đại số trình
 J 

bày bằng đơn vị. Chẳng hạn, (5m)2 = (5)2 (m)2 = 25m2; 5 
 (10kg)(5K) =
 kg.K 

21


 J .kg.K 

(5)(10)(5) 
 = 250J
 kg.K 
Hệ số chuyển đổi đơn vị là tỷ số có giá trị thực là một đơn vị, tức là tổng hợp
các số và đơn vị ở tử số bằng với tổng hợp các số và đơn vị ở mẫu số. Nếu tính riêng
giá trị của các con số thì tỷ số không bằng 1. Hệ số chuyển đổi đơn vị biểu thị sự
tương đương của một đại lượng duy nhất theo hai đơn vị khác nhau.
Bảng 1.5. Hệ số chuyển đổi đơn vị
Phương trình thứ nguyên

Tỷ số

Hệ số chuyển đổi

1 h = 3600 s

1 h/3600s =1

1 h/3600s

3600 s = 1h

3600s/1h =1

3600s/1h

1 m3 = 1000 L

1000L/1m3 =1

1000L/1m3

1 ft = 0,3048m

1 ft /0,3048m =1

0,3048m/1 ft

1 in = 2,54 cm

1 in/2,54cm =1

2,54 cm/1 in

1 Btu = 1055 J

1 Btu/1055 J =1

1055 J/ 1 Btu

0

0

F /32+1,8* 0C =1

(32+1,8* 0C)/F

K=273,15+0C

(K-273,15)/ 0C =1

(K-273,15)/ 0C

1 psi = 6894,76 Pa

1 psi/6894,76 Pa =1

6894,76 Pa/ 1 psi

1kWh = 3600 kJ

1kWh/3600 kJ =1

3600 kJ/1 kWh

1 lb = 0,4536 kg

1 lb/0,4536 kg =1

0,4536kg/lb

F = 32 + 1,8 0C

Muốn chuyển đổi từ đơn vị này sang đơn vị kia, ta nhân đơn vị ban đầu với hệ
số chuyển đổi đơn vị.
Ví dụ1: Một băng tải chuyển động 90 cm trong 15 s. Tốc độ v của băng tải tính
theo m/h là bao nhiêu?
Giải:

90 cm

90cm

1m

=
15 s

m

3600 s

x

= 216

x

15 s

100 cm

1h

h

Ví dụ 2: Chuyển đổi Btu/lb.0F thành J/kg.0C
Giải:
J

Btu
=

g.K

J
g.0C

Lb.0F

Btu
=

Lb. 0F

X

Hệ số chuyển đổi

1055J
x

x
Btu

x
Lb

22

0

454g

F

32+1,80C


J

Btu
=

g.K

Lb.0F

X 4,185

CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Chuyển đổi đơn vị đo sau đây:
a. 20 hl/min thành l/h
d. 1 atmosphere thành kPa
c. 1 g/cm3 thành kg/m3
d. 251oF thành 0C
2. Cho sữa chảy vào máy đóng chai với lưu lượng 0,08 m3/min. Hỏi có bao nhiêu chai
1 lít được chiết đầy trong 10 h
3. Một dây chuyền đóng gói đảm nhận gói được 2 quả táo trong 1 giây (s). Nếu mỗi

quả táo trung bình nặng 100 g, hỏi trong 4 h thì sẽ làm đầy bao nhiêu gói, mỗi gói
chứa 2 kg táo?

23


Chương 2. CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT THỰC PHẨM
1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA THỰC PHẨM
1.1. Tính chất vật lý

1.1.1. Khối lượng riêng và trọng lượng riêng
- Khối lượng riêng của vật liệu (còn gọi là mật độ, ký hiệu ρ) là lượng vật liệu
chứa trong một khoảng không gian nào đó, và được biểu diễn bằng đơn vị khối lượng
trên đơn vị thể tích.
ρ=

∆M
∆V

(kg/m3)

(2.1)

Khối lượng riêng của nước cất ở 40C: ρ = 1000 kg/m3
- Trọng lượng riêng của vật liệu (ký hiệu γ) là trọng lượng của vật liệu chứa
trong một khoảng không gian nào đó, và được biểu diễn bằng đơn vị trọng lượng trên
đơn vị thể tích
γ=

∆G

∆V

(N/m3)

(2.2)

Quan hệ giữa ρ và γ :
γ = ρ. g

(2.3)

Ở đây:
∆M - khối lượng, (kg);

∆G - trọng lượng, (N- Newton );

∆V - thể tích, (m3);

g - gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2).

- Tỉ khối (tỉ trọng) của vật liệu là tỉ số giữa khối lượng riêng (hoặc trọng lượng
riêng) của vật liệu đang xét với khối lượng riêng (hoặc trọng lượng riêng ) của nước ở
40C.
d=

ρ cl
γ
= cl
ρ nuoc γ nuoc

(2.4)

Trong đó: ρcl - khối lượng riêng của chất lỏng đang xét, (kg/m3)
γcl - trọng lượng riêng của chất lỏng đang xét, (N/m3)
d - tỉ trọng (không có đơn vị)
Thông thường, khi xác định tỉ khối của thực phẩm người ta chọn khối lượng
riêng của nước ở 4oC để so sánh. Khối lượng riêng của nước ở 4oC là 1000 kg/m3. Đối
với thực phẩm lỏng, người ta tính tỷ số giữa khối lượng riêng của chất lỏng đo ở 20oC
và khối lượng riêng của nước đo ở 4oC, ký hiệu là d 420 .
1.1.2. Tính nhớt
Tất cả các chất lỏng thực như nước, không khí… đều có tính nhớt, biểu hiện
dưới dạng lực ma sát trong khi có sự chuyển dịch tương đối của các lớp chất lỏng kề
nhau. Bên cạnh các chất lỏng rất dễ di động như nước, cồn v.v… cũng tồn tại những
chất lỏng mà khả năng chống lực trượt của nó cũng rất đáng kể (glycerin, dầu
24


nặng,…). Bởi vậy tính nhớt đặc trưng cho mức độ di động của chất lỏng.
Trong hệ SI, đơn vị đo hệ số nhớt động lực μ là: (N.s)/m2 = Kg/(m.s) = 1Pa.s
1.2. Tính chất nhiệt

Tính chất nhiệt của thực phẩm có thể tiêu biểu cho cơ chế trao đổi nhiệt trong
các quá trình gia nhiệt hoặc làm lạnh. Tính chất nhiệt của thực phẩm bao gồm:
1.2.1. Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị
khối lượng lên một độ ở một nhiệt độ đã cho, ký hiệu C, đơn vị SI của C là kJ/kg.K
Giả sử không có sự thay đổi pha, nhiệt lượng Q cung cấp cho một vật liệu khối
lượng M (kg) để tăng nhiệt độ từ T1 đến T2 có thể được tính theo công thức:
Q = MC (T2 –T1 )

(2.5)

1.2.2. Độ dẫn nhiệt
Độ dẫn nhiệt là lượng nhiệt Q dẫn qua một đơn vị bề mặt và một đơn vị độ dày
của vật liệu trong một đơn vị thời gian làm cho chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt là
một độ, ký hiệu là λ, đơn vị SI của độ dẫn nhiệt là W/m.K
Độ dẫn nhiệt λ thể hiện khả năng của vật liệu cho nhiệt truyền qua, phụ thuộc
vào mật độ vật chất.
Lượng nhiệt Q truyền qua vật liệu bằng dẫn nhiệt có thể tính toán theo định
luật Fourier về dẫn nhiệt.
Q=

λ F (T1 − T2 )
δ

(2.6)

Trong đó:
F – là diện tích bề mặt của vật liệu, m2
T1, T2 – là nhiệt độ ở trên 2 phía bề mặt của vật liệu, oC
δ – chiều dày lớp tường, m
Bảng 2.1 Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu của thực phẩm và một số vật liệu khác
Loại vật liệu

Hệ số dẫn nhiệt(W/mK)

Nhiệt độ đo (0C)

220
388

21
45 – 400
0,69
0,87

0
0
20
0
20
20

0,17
0,56

20
20

Vật liệu xây dựng
-Nhôm
-Đồng
-Thép không gỉ
-Các kim loại khác
-Gạch
-Bê tông
Thực phẩm
-Dầu ô liu
-Sữa

25

-Thịt bò lạnh đông

1,30

-10

-Thịt heo

0,48

3,8

-Cá ngừ lạnh đông
-Nước táo

1,66
0,56

-10
20

-Nước cam
-Trứng

0,41
0,96

0-15

-8

-Nước đá
-Nước

2,25
0,57

0
0

-Giấy carton

0,07

20

-Thủy tinh
-Polyethylene

0,52
0,55

20
20

-Polyvinylchloride

0,29

20

Vật liệu cách nhiệt
-Bọt polystyrene
-Bọt polyurethane
-Các dạng khác

0,036
0,026
0,026-0,052

0
0
30

Vật liệu bao bì

1.3. Tính chất cảm quan

Tính chất cảm quan của thực phẩm gồm các tính chất như: cấu trúc, mùi vị,
hình dạng và màu sắc. Tính chất cảm quan của thực phẩm là tính chất quan trọng ảnh
hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Các nhà sản xuất phải luôn tìm cách cải tiến công
nghệ chế biến để duy trì hoặc tạo ra các tính chất cảm quan mong muốn cho các sản
phẩm thực phẩm.
1.3.1. Cấu trúc
Cấu trúc của thực phẩm xác định bằng độ ẩm, hàm lượng chất béo, dạng và
hàm lượng carbohydrate cấu trúc (cellulose, tinh bột, các hợp chất pectin) và protein.
Thông thường cấu trúc của thực phẩm bị thay đổi là do sự giảm hàm lượng ẩm hoặc
chất béo, do sự tạo thành hay phá vỡ các chất nhũ hóa, do sự thủy phân các
carbohydrate, do thủy phân hay đông tụ protein.

1.3.2. Mùi vị
Vị thực phẩm bao gồm các vị mặn, ngọt, đắng và chua. Những vị này được
quyết định bởi bản chất hóa học của chất gây vị và hầu như không thay đổi trong khi
chế biến, ngoại trừ một số quá trình như quá trình hô hấp của thực phẩm tươi hoặc
trong quá trình lên men gây ra (thay đổi độ acid và vị ngọt).
Những hợp chất dễ bay hơi có trong thực phẩm thường là những chất tạo ra
mùi. Những hợp chất này có thể bị hao hụt trong khi chế biến, làm giảm cường độ mùi
26


hoặc tạo ra những mùi khác. Những hợp chất mùi (chất dễ bay hơi) cũng có thể được
sinh ra dưới tác động của nhiệt, phóng xạ ion, sự oxy hóa hoặc của enzyme đối với
protein, chất béo và carbohydrate. Thí dụ: các sản phẩm của phản ứng Maillard giữa
amino acid và đường khử hay nhóm carbonyl, các sản phẩm của sự phân giải chất béo
thành acid béo và sự chuyển hóa tiếp theo thành aldehyde, ester và alcohol. Mùi của
thực phẩm mà chúng ta cảm nhận là do sự phối hợp phức tạp của hàng trăm hợp chất,
một số hợp chất này có tính tương hỗ.
1.3.3. Màu sắc
Màu sắc cũng là một trong những yếu tố thể hiện giá trị cảm quan của thực
phẩm. Màu sắc tự nhiên của thực phẩm có thể bị thay đổi do tác động của các quá
trình chế biến nhiệt, sự thay đổi pH hoặc do sự oxy hóa trong khi tồn trữ. Màu tổng
hợp thường có tính ổn định cao hơn đối với tác động của nhiệt, pH và ánh sáng thường
được thêm vào để duy trì màu của một số loại thực phẩm. Một số phản ứng hóa học
(phản ứng Maillard) có thể tạo màu mong muốn (làm bánh, chiên) hoặc màu xấu trong
khi sấy, đóng hộp.
2. SỰ THAY ĐỔI GIÁ TRỊ DINH DƯỠNG CỦA THỰC PHẨM
Nhiều quá trình chế biến thực phẩm không có hoặc rất ít ảnh hưởng đến giá trị
dinh dưỡng của thực phẩm như các quá trình phối trộn, làm sạch, phân loại, sấy thăng
hoa v.v...
- Chế biến nhiệt là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự thay đổi giá trị dinh dưỡng

của thực phẩm. Thí dụ sự hồ hóa tinh bột hay sự đông tụ protein làm cải thiện khả
năng tiêu hóa thực phẩm, các hợp chất ức chế như chất ức chế trypsin trong rau quả bị
phá hủy. Tuy nhiên, nhiệt cũng phá hủy một số vitamin không bền nhiệt, làm giảm giá
trị sinh học của protein và làm tăng sự oxy hóa chất béo.
- Oxy hóa là nguyên nhân quan trọng thứ hai làm thay đổi giá trị dinh dưỡng
thực phẩm. Quá trình oxy hóa xảy ra khi thực phẩm tiếp xúc với không khí và do tác
động nhiệt hoặc enzyme oxy hóa như peroxidase, lipoxygenase, polyphenoloxidase.
Những ảnh hưởng chính của quá trình oxy hóa là:
+ Sự phá hủy chất béo thành hydroperoxide và những phản ứng tiếp theo tạo
thành những hợp chất carbonyl, các acid béo mạch ngắn và trong dầu chiên tạo thành
độc tố.
+ Sự phá hủy các vitamin nhạy cảm với oxy.
3. CÂN BẰNG VẬT LIỆU
3.1. Định luật bảo toàn khối lượng

Cân bằng vật liệu được thiết lập dựa trên cơ sở định luật bảo toàn khối lượng:
Khối lượng vật liệu vào hệ thống bằng lượng vật liệu ra khỏi hệ thống.
Cân bằng vật liệu có thể tính theo từng mẻ (đối với thiết bị làm việc gián đoạn)
hoặc tính theo một đơn vị thời gian (đối với thiết bị làm việc liên tục).
27


Cân bằng vật liệu được ứng dụng trong các quá trình phối trộn, lên men, bốc
hơi,…
Nói chung, một cân bằng vật liệu của một quá trình có dạng như sau:
Khối lượng nguyên liệu vào hệ thống = Khối lượng sản phẩm ra khỏi hệ thống
+ Khối lượng vật liệu tồn lưu trong hệ thống + Khối lượng vật liệu bị tổn thất
Trong điều kiện lý tưởng, xem không có vật liệu tích lũy trong hệ thống và
không có tổn thất vật liệu, cân bằng vật liệu như sau: khối lượng vật liệu vào hệ thống
bằng khối lượng sản phẩm ra khỉ hệ thống:

∑Gvào = ∑Gra

(2.7)

Trong đó: ∑Gvào – tổng khối lượng vật liệu vào, tính bằng kg.
∑Gra – tổng khối lượng vật liệu ra, tính bằng kg.
Cân bằng vật liệu được sử dụng để tính toán số lượng vật liệu trong các quá
trình khác nhau (bốc hơi, cô đặc, pha loãng, để thiết kế các quá trình chế biến, tính
toán các công thức chế biến thực phẩm, các thành phần sau khi phối trộn, tính hiệu
suất quá trình phân tách,…)
3.2. Phương trình cân bằng khối lượng

Xét một quá trình công nghệ chế biến thực phẩm
Không khí ẩm
(C)
Không khí (A)
Không khí
Ẩm (E)
bột nhào ẩm
(W)

bột nhào đã
nướng (D)

Lò nướng
Ẩm (E)

Hình 2.1 Sơ đồ dòng vật liệu trong quá trình nướng bánh trong lò nướng
Cân bằng khối cho toàn bộ quá trình là: W + A = D + C
Cân bằng khối cho không khí ẩm:

A+E=C

Cân bằng khối cho sản phẩm (chất rắn): W = E + D
Ví dụ:
Tính cân bằng khối lượng tổng vật liệu và cân bằng
khối lượng cho một cấu
tử của hỗn hợp các thành phần dinh dưỡng tạo nên 25 kg xúc xích bò có hàm lượng
chất béo 30%. Nguyên liệu sử dụng để chế biến gồm thịt bò tươi và mỡ bò. Thành
phần hóa học của thịt bò: 18% protein, 12% lipid, 68% nước; của mỡ bò: 78% lipid,
12% nước và 5% protein.
Giải
28


Gọi

M – khối lượng thịt bò, kg
F – khối lượng mỡ bò, kg
Mỡ bò (F): 78% lipid,
12% nước và 5% protein

Thịt bò (M): 68% lipid,
12% nước và 18%

Máy băm, nhồi

Xúc xích (S): 25Kg,
30% lipid

Hình 2.2 Sơ đồ dòng vật liệu trong quá trình sản xuất xúc xích
Cân bằng khối lượng tổng vật liệu: M + F = 25
Cân bằng khối lượng đối với lipd: 0,12M + 0,78F = 0,325
Thay M = 25 – F vào phương trình cân bằng đối với lipid, ta có:
0,12 (25 – F) + 0,78F = 7,5
Từ đây ta tìm được F = 6,82 kg;

M = 25 – 6,82 = 18,18 kg

4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
4.1. Định luật bảo toàn năng lượng

Cân bằng năng lượng được thiết lập dựa trên cơ sở định luật bảo toàn năng
lượng. Tổng năng lượng đưa vào hệ thống bằng tổng năng lương thoát ra khỏi hệ
thống. Năng lượng trong các quá trình chế biến thực phẩm dưới dạng nhiệt hoặc cơ.
Xét riêng nhiệt năng, có thể phát biểu: tổng lượng nhiệt vào bằng tổng lượng nhiệt ra.
4.2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát, đối với nhiệt năng như sau:
∑Qvào = ∑Qra

(2.8)

Trong quá trình tính toán, nếu nhiệt tổn thất rất nhỏ thì có thể bỏ qua nhiệt tổn
thất ra môi trường xung quanh, kết quả thu được là gần đúng. Để có kết quả chính xác
thì cần phải tính bù lượng nhiệt tổn thất.
5. CƠ HỌC CHẤT LỎNG
5.1. Chất lỏng và đặc tính của chất lỏng

5.1.1. Định nghĩa và phân loại chất lỏng

- Định nghĩa
Chất lỏng, theo nghĩa rộng của từ này, là những vật liệu có tính dễ chảy (dễ di
động), không có hình dạng nhất định, hình dạng của nó phụ thuộc vào bình chứa nó và
sự biến đổi của tính chất vật lý của chất lỏng theo các phương là như nhau.
Khi chất lỏng ở trạng thái cân bằng thì chỉ có lực pháp tuyến tác dụng lên nó
mà không có lực tiếp tuyến.
- Phân loại chất lỏng
29


+ Theo tính chất vật lý, chất lỏng được chia làm hai loại:
* Chất lỏng giọt (còn gọi là chất lỏng nén được ít) là chất lỏng mà thể tích của
nó thay đổi không đáng kể khi bị nén ép. Ví dụ: nước, dầu thực vật,…(tức là các loại
chất lỏng theo nghĩa thông thường)
* Chất lỏng dạng khí là chất lỏng mà thể tích của nó thay đổi nhiều khi bị nén
ép. Ví dụ: không khí, các chất khí, hơi nước.
+ Theo nghiên cứu những vấn đề lý thuyết: người ta đưa ra một loại chất lỏng
hoàn toàn không có thực mà chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết là chất lỏng lý tưởng. Chất
lỏng lý tưởng là chất lỏng hoàn toàn không có lực ma sát trong (nội ma sát) giữa các
phần tử chất lỏng khi chúng chuyển động, tức là không có độ nhớt. Trong thực tế, tất
cả các loại chất lỏng đều có lực ma sát trong khác không, tức là luôn có độ nhớt; người
ta gọi đó là chất lỏng thực hay là chất lỏng nhớt.
5.1.2. Vai trò của ứng suất trong dòng chảy
Sự chảy của chất lỏng sẽ xuất hiện khi có một lực tác dụng lên chất lỏng.
Khi lực tác dụng theo phương vuông góc với bề mặt ta có thể gọi là áp suất,
đơn vị N/m2 hay Pa. Khi lực tác dụng song song với bề mặt ta có ứng suất cắt, đơn vị
N/m2 hay Pa. Khi ứng suất cắt tác dụng lên chất lỏng làm chất lỏng bị biến dạng. Ảnh
hưởng của ứng suất cắt lên các vật liệu là yếu tố cơ bản để phân loại các loại vật liệu
thực phẩm như: rắn, lỏng, khí, bán lỏng.
- Vật liệu đàn hồi: khi ứng suất cắt tác dụng lên vật liệu đàn hồi sẽ làm vật liệu

biến dạng, tốc độ biến dạng là hàm số của ứng suất cắt (theo quan hệ đường thẳng).
Khi loại bỏ lực tác dụng, vật liệu sẽ trở lại dạng ban đầu.
- Vật liệu ít đàn hồi: khi ứng suất cắt tác dụng lên vật liệu sẽ làm vật liệu biến
dạng, tốc độ biến dạng là hàm số của ứng suất cắt (không theo quan hệ đường thẳng).
Khi loại bỏ lực tác dụng, chỉ một phần vật liệu trở lại dạng ban đầu. Loại vật liệu này
như: bơ, phomat,…
- Chất lỏng: khi bị ứng suất cắt tác dụng, vật liệu bị biến dạng, tốc độ biến dạng
là hàm số của ứng suất cắt (có thể tuân theo theo quan hệ đường thẳng-chất lỏng
Newton hoặc theo quan hệ hàm số mũ-chất lỏng phi Newton). Khi loại bỏ ứng suất, vật
liệu không có khả năng trở lại dạng ban đầu. Khi tác dụng lực theo phương vuông góc
với bề mặt, vật liệu không bị biến dạng.
5.1.3. Tính chất đặc trưng của chất lỏng
Các tính chất của chất lỏng có ảnh hưởng lớn đến việc vận chuyển chất lỏng,
ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng cho dòng chảy, đặc tính dòng chảy.
- Khối lượng riêng và tỷ trọng
- Khối lượng riêng (còn gọi là mật độ, ký hiệu ρ) là khối lượng trong một đơn
vị thể tích. Trong hệ SI, khối lượng riêng có đơn vị là [kg/m3]
- Tỉ trọng là tỉ số giữa khối lượng riêng của chất lỏng cần xác định với khối
lượng riêng của một chất nào đó, thường là nước ở 4oC.

30


Có thể xác định khối lượng riêng và tỷ trọng bằng Brix kế (đơn vị đo là oBx),
Beaume kế (đơn vị đo là oBe). Quan hệ giữa oBe và tỷ trọng (d) theo công thức:
- Trong trường hợp tỷ trọng d > 1, ta có quan hệ:
o

Be
= 145 −

145
d

(2.9)

- Trong trường hợp tỷ trọng d < 1, ta có quan hệ:
140
− 130
d

Be
=

o

(2.10)

- Độ nhớt của chất lỏng
Chất lỏng không biến dạng thuận nghịch sẽ chảy khi có một lực tác dụng, vận
tốc chảy càng tăng khi lực tác dụng càng tăng. Khi các lớp chất lỏng chuyển động,
giữa chúng có lực ma sát làm cho cơ năng chuyển thành nhiệt năng. Sự ma sát này gọi
là ma sát nội hoặc ma sát trong vì nó xuất hiện trong nội bộ chất lỏng. Tính chất nảy
sinh ma sát trong, hay ứng suất tiếp giữa các lớp chất lỏng chuyển động (hình 2.1) gọi
là tính chất nhớt. Tính nhớt là tính chất của chất lỏng chống lại sự dịch chuyển. Vì vậy
khái niệm tính chất nhớt liên quan đến ma sát trong. Tính chất nhớt biểu hiện sức
dính phân tử của chất lỏng. Khi nhiệt độ tăng, mỗi phân tử dao động mạnh hơn quanh
vị trí trung bình nên sức dính, hay độ nhớt kém đi.
Mọi chất lỏng đều có tính nhớt và điều này rất quan trọng vì độ nhớt là nguyên
nhân gây ra sự tổn thất năng lượng khi chất lỏng chuyển động. Các chất lỏng khác

nhau sẽ chảy với tốc độ khác nhau với cùng một lực tác dụng.
Ta xét sự chuyển động của chất lỏng (hình 2.3.). Giả sử chất lỏng chuyển động
thành các lớp song song dọc theo một thành phẳng (chuyển động tầng). Các lớp khác
nhau chuyển động với lưu tốc (vận tốc) u khác nhau; lưu tốc u phân bố theo đường
cong u = u(y) trên phương ngang (vuông góc với các lớp chất lỏng). Do tác dụng hãm
lại của thành rắn cho nên ngay trên thành u = 0, u tăng lên theo khoảng cách so với
thành.
y

∆F

u +du

dy

u
u

Xét hai lớp cách nhau một khoảng
là dy, lưu tốc chuyển động tương đối của
2 lớp chất lỏng là du. Khi đó giữa hai lớp
sẽ phát sinh lực ma sát trong được xác
định theo luật ma sát của Newton như sau:
Định luật ma sát trong của Newton được
viết như sau: Lực ma sát giữa các lớp chất
lỏng chuyển động tỷ lệ với diện tích tiếp
xúc giữa các lớp đó.

Hình 2.3. Sự chuyển động của lớp chất lỏng

31


Pms = µF

du
dy

(2.11)

Nếu ta gọi τ là ứng suất ma sát tiếp tuyến, tức là lực ma sát (Pms) tính trên đơn
vị diện tích tiếp xúc (F). Theo định luật ma sát của Newton, ứng suất ma sát τ được
tính như sau:
τ =

Pms
du
=µ
F
dy

(2.12)

Trong công thức trên:
Pms - lực ma sát trong giữa các lớp chất lỏng, N
F - diện tích tiếp xúc giữa các lớp chất lỏng, m2
τ - ứng suất ma sát tiếp tuyến, N/m2
du/dy - gradien lưu tốc, tức là sự biến thiên của lưu tốc chuyển động chất lỏng
trên một đơn vị chiều dài khoảng cách giữa 2 lớp chất lỏng, m2/s.m
μ - hệ số tỷ lệ, là một hệ số vật lý đặc trưng cho chất lỏng, được gọi là hệ số

nhớt động lực (độ nhớt động lực).
Trong hệ SI, đơn vị đo hệ số nhớt động lực μ là (N.s)/m2 = Kg/(m.s) = 1Pa.s.
Trong hệ CGS, đơn vị đo của μ là Poise (p). 1p = g/cm.s
Thực tế, người ta hay sử dụng đơn vị centipoise (cp). 1cP = 0,01 P
Quan hệ giữa đơn vị đo độ nhớt theo hệ SI và hệ CGS là:
1 (N.s)/m2 = 10 p = 103 cp (centipoise)
Nước thuộc loại chất lỏng có độ nhớt nhỏ nhất: ở 200C, μ ≈ 0,001 P.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến độ nhớt chất lỏng:
Hệ số nhớt μ thay đổi trong một phạm vi rộng theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng
lên thì trị số μ của chất lỏng giọt giảm xuống, còn của chất khí thì tăng lên.
Độ nhớt của các chất lỏng thực chỉ bị ảnh hưởng bởi áp suất khi áp suất thay
đổi ở phạm vi lớn còn khi áp suất thay đổi ít thì xem như độ nhớt không bị ảnh hưởng.
- Cùng với hệ số nhớt động lực μ, người ta còn biểu thị độ nhớt bằng hệ số nhớt
động học, ký hiệu là ν, được xác định như sau:
ν=

µ
ρ

(2.13)

Ở đây: ρ - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3
Trong hệ SI, đơn vị đo của ν là m2/s.
Trong hệ CGS, ν có đơn vị đo là stokes, ký hiệu là St; 1 St= 1cm2/s = 10-4m2/s.
Nước ở 200C có ν ≈ 0,01St; không khí ở điều kiện bình thường có ν ≡ 0,157 St
(lớn hơn 15 lần so với nước). Nói chung, hệ số ν của các khí lớn hơn của chất lỏng (ρ
của khí bé hơn 1000 lần so với chất lỏng) và tăng lên cùng với nhiệt độ.
Độ nhớt được đo bằng các dụng cụ gọi là nhớt kế như nhớt kế Engler, nhớt kế
32

Saybolt… dùng cho chất lỏng, nhớt kế Schultze dùng cho khí.
Chất lỏng tuân theo luật ma sát trong của Newton (2.11), trong đó μ là độc lập
với du/dy, được gọi là chất lỏng Newton. Các chất lỏng thực phẩm như mật ong, nước
quả, sữa tươi,… được coi là chất lỏng Newton. Các chất lỏng không tuân theo định
luật Newton được gọi là chất lỏng phi Newton, chẳng hạn như bột nhão,…
Trong phạm vi giáo trình ta chỉ xét các chất lỏng Newton.
- Tính dãn nở của chất lỏng
+ Tính nén được của chất lỏng được đặc trưng bằng hệ số nén thể tích βv
βn = −

1 ∆V
V ∆p

(2.14)

Ở đây : V- thể tích ban đầu, m3
∆V- lượng biến đổi của thể tích tương ứng với lượng thay đổi ∆p của áp suất;
∆p - lượng áp suất thay đổi, N/m2.
Đơn vị đo của βv là (Pa)-1 . Pa (Pascal) là đơn vị đo áp suất, 1Pa = 1 N/m2.
Hệ số nén thể tích của các chất lỏng (thành giọt) thay đổi rất ít khi áp suất thay
đổi; đối với nước có thể lấy trung bình βv = 5 . 10-10 (Pa)-1; các chất lỏng khác có trị số
βv gần với trị số này. Trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua tính nén được của chất
lỏng, tức xem ρ, γ không phụ thuộc vào áp suất.
+ Sự dãn nở bằng nhiệt được đặc trưng bằng hệ số dãn nở vì nhiệt βn.
βv =

1 ∆V
V ∆t

(2.15)

Trong đó: ∆V- lượng biến đổi của thể tích chất lỏng khi nhiệt độ tăng thêm ∆t.
∆t - khoảng tăng nhiệt độ so với ban đầu, oC
Với nhiệt độ 10 – 20oC, áp suất 105 Pa, có thể lấy gần đúng: βn ≈ 0,0001 (oC)-1
Khả năng thay đổi mật độ của chất lỏng khi nhiệt độ thay đổi được ứng dụng để
tạo nên dòng đối lưu trong các nồi hơi, hệ thống sưởi,…
Khí và hơi có độ chịu nén (βn, và βv) lớn tức ρ và γ thay đổi nhiều theo nhiệt độ
và áp suất.
5.2. Thủy tĩnh học

Thủy tĩnh học nghiên cứu các định luật cân bằng của chất lỏng ở trạng thái yên
tĩnh tức là ở trạng thái không có chuyển động tương đối giữa các phần tử chất lỏng.
5.2.1. Áp suất thủy tĩnh
Áp suất thủy tĩnh là đặc trưng quan trọng của chất lỏng ở trạng thái cân bằng.
Lấy tách ra từ một khối chất lỏng cân bằng một thể tích chất lỏng V được giới
hạn bởi mặt S. Thể tích này được cân bằng bởi hệ thống các lực. Cắt thể tích V làm 2
phần (tưởng tượng); mỗi phần tác dụng lên phần kia bằng hệ thống lực pháp tuyến P
đặt lên diện tích mặt cắt phẳng S. Trên mỗi phân tố diện tích ∆S lực tác dụng là ∆P. ∆P
được gọi là áp lực thủy tĩnh lên diện tích ∆S
33