比熱容(specific heat)。是使單位質(zhì)量的物體溫度升高IK所需要的熱量,是物質(zhì)的基本物性,對食品冷凍過程的分析和計算非常重要。
比熱容測量方法有很多種,常用的有傳統(tǒng)方法一冷卻法(投入法)。
近年來發(fā)展用差式掃描量熱術(shù)(differential scanning calorimetry,DSC)
來測量材料的比熱容。此法所用的樣品少(5~15mg),而且能測量較大的溫度范圍,故特別適合于測量食品材料的比熱容和溫度的關(guān)系。但是此法也有其不足:DSC儀器較貴,技術(shù)要求高;DSC是比較測量法,需用某些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行校核。對于食品材料,因其相變不是在一個確定溫度,而是在一段溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的,可以用DSC法測其焓值隨溫度的變化,再通過微分求得表觀比熱容ce.DSC測量比熱容的方法有標(biāo)準(zhǔn)的三線法、簡易的兩線法和單線法、分步掃描(stepscan)法等。
現(xiàn)以Perkin-Elmer公司生產(chǎn)的功率補(bǔ)償型DSC(Pyris diamond DSC)為例,說明比熱容的測量方法和技術(shù)。
1.標(biāo)準(zhǔn)的三線法在測量比熱容之前,首先對儀器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定包括基線優(yōu)化、溫度標(biāo)定、爐子標(biāo)定和熱流標(biāo)定四個步驟,其中要選取合適的溫度范圍和掃描速率。測定比熱容時,標(biāo)定的掃描速率一般選取2~5℃/mi。
(1)樣品皿選擇:首先桃選質(zhì)量相近的三個空皿,分別用于基線標(biāo)定、裝標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、裝待測物料。另外,還要選取一個空皿作為參比皿,其質(zhì)量可以與以上三個皿不相等。
(2)實驗步驟:
①將參比皿和用于基線標(biāo)定的空皿,分別放在儀器的參比側(cè)(右側(cè))和樣品側(cè)(左側(cè)),執(zhí)行“等溫一升溫一等溫”程序,獲得第一條熱流曲線(一般升溫的溫度范圍不要超過50℃)?!暗葴亍钡淖饔檬谴_保熱流平衡,等溫時間的長短依樣品量和儀器本身的靈敏度確定。②將樣品側(cè)的空皿取出,放人裝有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的皿,而在右側(cè),仍為參比皿;按同樣的溫度程序獲得第二條熱流曲線。③將樣品側(cè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)皿取出,放人裝盛有待測物料器皿,而在右側(cè),仍為參比皿;按相同溫度程序獲得第三條熱流曲線。
有了三條熱流曲線,即可利用儀器附帶的計算軟件來計算比熱容。
(3)實驗結(jié)果處理:由于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的比熱容已知,掃描速率恒定,故經(jīng)過簡單的比例關(guān)系,即可求得待測物質(zhì)的比熱容。設(shè)9、9s、9取分別表示上述的基線熱流、被測樣品熱流和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)熱流,則有:
式中、
、9π的值已由儀器直接量,質(zhì)量m事先稱得,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的比熱容ck已知,故可計算出被測物質(zhì)的比熱容cg。對Pyris diamond DSC,用這種方法測比熱容的誤差可控制在0.1%以內(nèi)。在一50℃以下或300℃以上,由于基線受到影響,精度稍差,但也可控制在2%以內(nèi)。
2.簡易的兩線法和單線法兩線法也是采用和三線法類似的溫度程序,但不需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),因而只用兩個質(zhì)量相同的空皿(偏差小于0.1g):一個用于基線標(biāo)定,另一個裝樣品。執(zhí)行“等溫一升溫一等溫”程序,分別獲得基線熱流曲線和樣品熱流曲線。利用這兩條熱流曲線進(jìn)行減運算,獲得被測物質(zhì)的凈熱流,然后就可用公式(4-2)計算被測物質(zhì)的比熱容cs。顯然,此公式中除了有熱流數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)外,還有升溫速率3,故增加了引入誤差的可能性,其精度稍低于三線法。
單線法的步驟更簡單,既不需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的熱流曲線,也不需要空皿的熱流曲線,甚至不需要等溫程序。只要做一條被測物料的熱流曲線(注意,此時置于右側(cè)參比皿的質(zhì)量,與左側(cè)樣品空皿的質(zhì)量應(yīng)盡量相同),根據(jù)下列公式就可得出比熱容數(shù)值:
在單線法測量中,由于沒有扣除基線熱流,其誤差顯然比兩線法要大。
這種方法一般不用于比熱容的精確測量,而只用于快速瀏覽比熱容的大致范圍。