Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Физические методы обработки гидробионтов: Методическое пособие для слушателей факультета повышения квалификации

Голосов: 0

Пособие содержит описание современных методов обработки гидробионтов и предназначено для слушателей факультета повышения квалификации, обучающихся по специальности 271000 "Технология рыбных продуктов". Для того чтобы специалисты по технологии рыбы и рыбопродуктов осознанно применяли существующие физические методы обработки рыбы и рыбопродуктов и смогли разрабатывать новые методы, и посвящено данное методическое пособие "Физические методы обработки гидробионтов". Целью данного методического пособия является решение проблемы наведения моста между курсом общей физики и предметами, связанными с конкретными вопросами рыбообработки.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
       4. Шкала электромагнитных волн.
   Выше было отмечено, что нагрев рыбы и рыбопродуктов может
осуществляться не только за счет теплового излучения, а также за
счет микроволнового излучения. Данные типы излучений необхо-
димо рассматривать как электромагнитное излучение определенно-
го частотного диапазона. Электромагнитное излучение необходимо
рассматривать в качестве электромагнитной волны. Для того чтобы
лучше понимать механизм нагрева рыбы необходимо рассматривать
весь спектр частот электромагнитных волн, начиная с промышлен-
ной частоты в 50 Гц. Проведем анализ частотного диапазона. Элек-
тромагнитное излучение необходимо рассматривать в качестве
электромагнитной волны. Разделим анализ частотного диапазона
по наименованиям их применения в различных областях науки и
техники.
   1). Электротехника.
   Рассмотрим в данном случае величину длину волны для про-
мышленной частоты в 50 Гц. В дальнейшем при расчетах будем
считать, что скорость электромагнитной волны равна скорости све-
                            м
та в вакууме с = 3 ⋅ 10 8     , тогда частота волны будет равна
                            с
                        v c 3 ⋅ 10 8
            λ = v⋅T =    = =         = 6 ⋅ 10 6 м = 6000 км .
                        ν ν   50
   2). Радиотехника.
   В данном случае электромагнитные волны называются радио-
волнами. Их длина составляет по величине от десятков километров
до единиц метра. Относительно величины частоты этот диапазон
составляет область частот от 1 КГц до 300 МГц.
   3). СВЧ диапазон.
   В данном диапазоне частот электромагнитные волны называют-
ся микроволновыми. Данный диапазон волн составляет по частоте
область от 300 мегагерц (МГц) до сотен гигагерц (ГГц). Длина элек-
тромагнитной волны в данном случае составляет порядка единиц
дециметров, сантиметров и миллиметров.
   4). Тепловое излучение.
    Этот вид излучения представляет собой электромагнитные вол-
ны инфракрасного диапазона с длиной волны в диапазоне от 10 −4 м
до 10 −6 м и для частот от 1012 Гц до 1014 Гц .

                                                                  11


   5). Оптический диапазон.
   Данный диапазон включает в себя интервал длин волн от крас-
ного света (560 нм ) до фиолетового (380 нм ) .
   6). Рентгеновский диапазон.
   Данный диапазон электромагнитных волн заключен в области
длин волн от 10 −8 м до 10 −11 м и для частот от 1016 Гц до 10 20 Гц .
   7). Гамма лучи.
   Данный диапазон электромагнитной волны заключен в области
длин волн меньше 10 −11 м и для частот выше 10 20 Гц .

   5. Электронная поляризация диэлектрических материалов.
   Выше было отмечено, что тепловое и микроволновое излучения,
с помощью которых можно нагревать рыбу представляют из себя
электромагнитное излучение, т.е. электромагнитное поле, распро-
страняющееся в пространстве, где происходит нагрев рыбы.
   Электромагнитное поле представляет из себя совокупность
взаимосвязанных электрического и магнитного полей. Так как маг-
нитное поле действует только на движущиеся заряды, то, следова-
тельно, на заряды в молекулах воды или тканях рыбы, находящихся
в неподвижной рабочей камере действует только электрическое по-
ле электромагнитного излучения.
   Рассмотрим поведение неполярной молекулы в электрическом
поле. Когда электрическое поле отсутствует, то в неполярной моле-
куле центры тяжести положительных и отрицательных зарядов сов-
падают, и молекула не является электрическим диполем. Данный
факт изображен на рис.1.8а:
   Теперь включим внешнее электрическое поле (рис.1.8 б). В дан-
ном случае на положительные и отрицательные заряды в молекуле
будет действовать сила:
                             →     →
                            F = q E.                        (5.1).
   Из выражения (5.1) следует, что положительные заряды будут
двигаться по полю, а отрицательные заряды будут двигаться против
направления поля. На основании сказанного заключаем, что про-
изойдет разделение зарядов и неполярная молекула станет электри-
ческим диполем.
   Следует отметить, что, во-первых, тепловое движение молекул
не оказывает влияния на строгую ориентацию вектора дипольного
12


электрического момента вдоль вектора электрического поля, даже в
процессе нагрева обратываемого продукта, что естественно будет
приводить к усилению теплового движения. Во-вторых, поляриза-
ция неполярной молекулы происходит мгновенно




                             Рис.1.8

вслед за изменением электрического поля, т.е. время ее установле-
ния соизмеримо с периодом колебаний электромагнитной волны в
видимой части спектра, поэтому электронную поляризацию также
называют оптической.

    6. Ориентационная поляризация диэлектрических мате-
риалов.
   Данный вид поляризации свойственен диэлектрическим мате-
риалам, состоящим из полярных молекул, например, для молекул
воды, из которых в основном состоят гидробионты.
   В отсутствии внешнего электрического поля полярная молекула
представляет из себя электрический диполь. Данный электрический
диполь характеризуется понятием вектора дипольного электриче-
              →
ского момента p . Данный факт изображен на рис. 1.9 а.
   При включении внешнего электрического поля (рис.1.9. б) на
положительные электрические заряды действует сила, направлен-
                                                            →
ная по вектору напряженности внешнего электрического поля E , а
                                                                13


на отрицательные заряды соответственно будет действовать сила,
направленная против направления вектора напряженности внешне-
                       →
го электрического поля E . Данная пара сил будет создавать враща-
тельный момент, приводящий к повороту вектора дипольного элек-
трического момента относительно направления внешнего электри-
ческого поля.




                            Рис. 1.9
   Для данного вида поляризации можно отметить следующие две
особенности:
   1). В силу инертности вращательного движения вектор диполь-
                               →
ного электрического момента p проскакивает положение направле-
                                                         →
ния вектора напряженности внешнего электрического поля E и на-
чинает поворачиваться в противоположном направлении. Этот про-
цесс происходит много раз до состояния полного совпадения векто-
                           →                        →
ров электрического момента p и электрического поля E . Очевидно,
что для установления состояния равновесия нужен определенный
промежуток времени, гораздо больший, чем для случая электрон-
ной поляризации. Причем, этот промежуток времени соизмерим с
14


периодом микроволнового излучения. Сказанное означает, что этот
вид поляризации и ответственен за нагрев рыбы микроволновым
излучением, причем поглощение энергии рыбой осуществляется в
основном за счет молекул воды.
   2). Тепловое движение молекул приводит к разориентации про-
цесса поляризации, т.е. в процессе нагрева рыбы из-за усиления те-
плового движения молекул необходимо учитывать коррективы в
процессе поляризации, что говорит о сложности процесса нагрева с
одной стороны и необходимости контроля за процессом нагрева с
другой.
   В заключении, отметим, что для случая ионных молекул свойст-
венно понятие ионной поляризации, которая представляет из себя
предельный случай ориентационной поляризации и носит название
атомной поляризации.

   7. Измерение электрических характеристик рыбы и рыбных
                          продуктов.
   Из курса общей физики известно, что основной силовой харак-
тристекой электрического поля в вакууме является вектор напря-
                               →
женности электрического поля E . Для диэлектрической среды ос-
новной силовой характеристикой среды является вектор электриче-
                 →
ского смещения D . В случае простейшего случая однородного и
изотропного диэлектрика связь между векторами электрического
смещения и напряженности электрического поля имеет вид

                         →       →
                              D = ε0 ε E .                   (7.1)
    В выражении (7.1) величина ε называется диэлектрической про-
ницаемостью среды и которая характеризует диэлектрические свой-
ства среды, являясь некоторым числом. Например, величина ди-
электрической проницаемости может принимать следующие значе-
ния:
ε вак = 1 ε возд = 1,006 ; ε бум = 39 ; ε воды = 81 , и т.д.
   Из выражения (7.1) видно, что диэлектрическая среда ослабляет
внешнее электрическое поле. Рассмотрим объяснение этого факта
на примере более простейшего случая электронной поля-


                                                               15


                             Рис.1.10

ризации. На рисунке 1.10 приведен факт того, что разделение заря-
дов в молекуле диэлектрика приводит к появлению в объеме ди-
электрика дополнительного электрического поля, характеризуемого
                         →
вектором напряженности E . Это происходит из-за того, что вектор
напряженности электрического поля, связанного с разделившимися
зарядами направлен от положительного заряда к отрицательному,
т.е. в противоположном направлении относительно направления
вектора напряженности внешнего электрического поля.
    Согласно принципа суперпозиции электрических полей резуль-
тирующее электрическое поле в диэлектрике можно записать в виде
следующего векторного уравнения:
                     →       →     →
                     E диэл = E вн + E пол .                   (7.2)
   Исходя из выражения (7.2) заключаем, что электрическое поле в
диэлектрической среде ослабляется за счет физического явления
поляризации.
   Так как механизм нагрева рыбных продуктов определяется ди-
электрическими характеристиками, то в процессе обработки рыбы с
одной стороны необходимо знать электрические свойства продукта,
чтобы правильно задавать исходные параметры процесса обработ-
ки, а с другой стороны эти параметры необходимо контролировать
в процессе рыбообработки, чтобы изменять характеристики элек-
тромагнитного поля.
   На практике измеряют не величину диэлектрической проницае-
мости ε рыбных продуктов, а так называемую величину тангенса
угла диэлектрических потерь tg δ . Дело в том, что с одной стороны
при нахождении диэлектрического вещества в переменном элек-

16


трическом поле, да еще и высокой частоты, величина диэлектриче-
ской проницаемости становится комплексной величиной:

                          εа = а + i b ,                    (7.3)
где величины а и в являются некоторыми числами, а величина тан-
генса угла диэлектрических потерь посредством этих величин опре-
деляется следующим образом:
                                     b
                              tg δ = .
                                     a
    Следует иметь в виду, то величина тангенса угла диэлектриче-
ских потерь для случая обработки рыбы и рыбопродуктов находит-
ся в следующих пределах значений:
                           tg δ = 0,5 ÷ 2 .

 Тема №2. Микроволновая обработка рыбы и рыбопродуктов

   1. Физические основы микроволновой обработки рыбы и
рыбопродуктов.
   Прежде чем переходить к рассмотрению детальных вопросов
микроволнового нагрева отметим, что в России данный вид обра-
ботки морепродуктов чаще называется или СВЧ нагревом по на-
именованию СВЧ диапазона электромагнитных волн, которыми и
проводится обработка или диэлектрическим нагревом по наимено-
ванию механизма явления поляризации диэлектриков. За рубежом
данный вид обработки называется микроволновым нагревом по на-
званию микроволнового диапазона СВЧ волн (длина электромаг-
нитной волны составляет миллиметры или даже микроны).
   Следует также отметить, что данный вид рыбопродукты стал
применяться только в последние несколько десятков лет. Это объ-
ясняется большими трудностями, возникающими при его реализа-
ции. Среди этих трудностей можно отметить следующие.
   1). В виду сложности строения морепродуктов различные ком-
поненты рыбы по разному реагируют на воздействие СВЧ излуче-
ния, что приводит к трудности контроля обрабатываемого объекта с
целью доведения его до кулинарной готовности;
   2). В виду сложности строения морепродуктов оказывается
сложным и механизм количественного расчета технологии обработ-

                                                              17


ки морепродуктов. Данный расчет можно проводить только для
простейшего одномерного случая;
   3). Трудным оказывается и сам технологический процесс, что
требует наличия специально подготовленного обслуживающего
персонала.
   Несмотря на отмеченные трудности, микроволновый процесс на-
грева в настоящее время широко применяется как в промышленной
обработке морепродуктов, так и в бытовых целях из-за следующих
преимуществ.
   1). При микроволновом методе обработки становится возмож-
ным процесс равномерного нагрева обрабатываемого объекта неза-
висимо от теплопроводности различных компонентов морепродук-
тов. Это становится возможным из-за того, что нагрев происходит
за счет механизма ориентационной поляризации молекул воды, ко-
торые с одной стороны распределены по всему объему рыбы, а с
другой стороны вода составляет ~70ч90 % массы морепродуктов.
   2). Поглощение энергии СВЧ излучения происходит за время
полупериода СВЧ волны, т.е. за время ~ 10 − 10 с, что приводит к до-
вольно быстрому процессу обработки.
   3). Возникающие внутренние источники тепла за счет явления
поляризации молекул воды приводят к движению молекул воды к
поверхности обрабатываемого объекта, что может быть использо-
вано для целей сушки обрабатываемых морепродуктов.
   Физика процесса нагрева рыбы микроволновым излучением сво-
дится к поглощению энергии СВЧ волны веществом рыбы за счет
возникающих сил трения между молекулами воды при их поляри-
зации в электромагнитном поле.
   Из курса физики известно, что при небольших скоростях движе-
ния материальных тел сила трения пропорциональна первой степе-
ни скорости. Это означает, что для случая одномерного движения
можно записать
                                      dx
                      Fтр ~ v = v x =    ,                     (1.1)
                                      dt
где величина х означает пройденный телом путь.
   Вводя в рассмотрение понятие коэффициента трения r , запишем
выражение (1.1) в следующем виде


18


                              dx
                       Fтр = r ⋅ .                        (1.2)
                              dt
   Следует иметь в виду, что выражение (1.2) записано нами для
случая одномерного движения молекулы по оси ОХ.

   2. Моделирование одномерного процесса поглощения энер-
                   гии рыбопродуктами.
   В предыдущем параграфе было отмечено, что процесс поглоще-
ния энергии обрабатываемым рыбопродуктом обусловлен силами
трения между молекулами вещества рыбы при их поляризации.
   Из курса общей физики известно, что работа сил трения может
быть определена через криволинейный интеграл следующим обра-
зом

                            ⎛→       →
                                       ⎞
                            ∫
                     A тр = ⎜ F тр d r ⎟ .
                           L⎝          ⎠
                                                            (2.1)

                                    →
   В выражении (2.1) величина d r означает величину элементар-
ного перемещения молекулы в течении которого вектор силы тре-
ния является постоянным по модулю и по направлению.
   В случае одномерного движения выражение (2.1) можно запи-
сать в следующем виде

                                        2
                                ⎛ dx ⎞
                                ∫
                     A тр = − r ⎜ ⎟ dt .
                                ⎝ dt ⎠
                                                            (2.2)

   В выражении (2.2) с одной стороны знак минус означает, что си-
ла трения всегда направлена против перемещения тела, а с другой
стороны следует иметь в виду, что интегрирование проводится по
периоду колебаний электрического поля микроволнового излуче-
ния. На рис.2.1 приведен график изменения величины напряженно-
сти электрического поля.
   С физической точки зрения процесс поляризации молекул рыбо-
продуктов следует понимать в виде вынужденного процесса, про-
исходящего за счет падающего СВЧ излучения.
   Пусть электрическое поле СВЧ волны изменяется по гармониче-
скому закону, изображенного на рис.2.1:

                                                              19


                                     Рис.2.1

                       E = E 0 cos ω t .                   (2.3)
   В выражении (2.3) величина E 0 является амплитудой вектора
напряженности электрического поля, а величина ω представляет из
себя понятие циклической частоты СВЧ волны.
   В данном случае закон вынужденных колебаний поляризующих-
ся молекул относительно положения равновесия подчиняется сле-
дующему закону:

                    x (t ) = A (ω)cos (ω t + ϕ 0 ).         (2.4)
   В выражении (2.4) величина A (ω) представляет из себя понятие
амплитуды вынужденных колебаний молекул рыбопродукта и оп-
ределяется следующим выражением:

                                      q E0
              A (ω) =                                        .   (2.5)
                        m   (ω   2
                                 0   − ω2   )
                                            2
                                                + 4 β 2 ω2

  В выражении (2.5) величина q означает понятие заряда молеку-
лы диполя, величина ω0 означает понятие собственной частоты ко-




20



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика