比熱容(specific heat)。是使單位質量的物體溫度升高IK所需要的熱量,是物質的基本物性,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,常用的有傳統方法一冷卻法(投入法)。
近年來發展用差式掃描量熱術(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系。但是此法也有其不足:DSC儀器較貴,技術要求高;DSC是比較測量法,需用某些標準物質進行校核。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進行的,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準的三線法、簡易的兩線法和單線法、分步掃描(stepscan)法等。
現以Perkin-Elmer公司生產的功率補償型DSC(Pyris diamond DSC)為例,說明比熱容的測量方法和技術。
1.標準的三線法在測量比熱容之前,首先對儀器進行標定。標定包括基線優化、溫度標定、爐子標定和熱流標定四個步驟,其中要選取合適的溫度范圍和掃描速率。測定比熱容時,標定的掃描速率一般選取2~5℃/mi。
(1)樣品皿選擇:首先桃選質量相近的三個空皿,分別用于基線標定、裝標準物質、裝待測物料。另外,還要選取一個空皿作為參比皿,其質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定的空皿,分別放在儀器的參比側(右側)和樣品側(左側),執行“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℃)。“等溫”的作用是確保熱流平衡,等溫時間的長短依樣品量和儀器本身的靈敏度確定。②將樣品側的空皿取出,放人裝有標準物質的皿,而在右側,仍為參比皿;按同樣的溫度程序獲得第二條熱流曲線。③將樣品側標準物質皿取出,放人裝盛有待測物料器皿,而在右側,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)實驗結果處理:由于標準物質的比熱容已知,掃描速率恒定,故經過簡單的比例關系,即可求得待測物質的比熱容。設9、9s、9取分別表示上述的基線熱流、被測樣品熱流和標準物質熱流,則有:
式中、
、9π的值已由儀器直接量,質量m事先稱得,標準物質的比熱容ck已知,故可計算出被測物質的比熱容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。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。
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,但不需要標準物質,因而只用兩個質量相同的空皿(偏差小于0.1g):一個用于基線標定,另一個裝樣品。執行“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行減運算,獲得被測物質的凈熱流,然后就可用公式(4-2)計算被測物質的比熱容cs。顯然,此公式中除了有熱流數據和質量數據外,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,既不需要標準物質的熱流曲線,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,此時置于右側參比皿的質量,與左側樣品空皿的質量應盡量相同),根據下列公式就可得出比熱容數值:
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。