物质的传输(精品)

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三篇 质量传输,在材料加工、化工、冶金、低温工程、空间技术等领域当中，质量传输是很重要的过程。许多材料的加工工艺的单元操作，比如加热、溶解、焊接、表面热处理等，都要涉及质量传输过程。,质量传输是指物质从体系的某一部分迁移到另一部分的现象，简称,传质,。,传质现象出现的原因可能有很多，如,浓度梯度、温度梯度、压力梯度,都会导致质量传输过程。本质上讲，质量传输是由体系中的,化学势差,引起的。当然流体的,宏观流动,也会将物质从一处迁移到另一处。,质量传输主要研究物质分子、原子等,微观粒子,的迁移，不是物质的宏观移动，着眼点是,浓度场,的变化。,研究方法,研究质量传输的方法与研究热量传输的方法相似。,如果系统当中,组分浓度比较低，质量交换率比较小,，传质现象的数学描述与传热现象是类似的。如果,定解条件也类似,，从传热中得到的许多结果可以通过类比直接应用于传质。当然，如果以上条件不满足，传热与传质过程就会有明显差别，类比关系就不再适用。,第十一章 基本概念和扩散系数,一、传质方式、浓度、物质流,1.,传质方式,（,1,）扩散传质由体系中浓度差（化学势差）引起的质量传输。（传导传质）,（,2,）对流传质由流体宏观运动引起。,（,3,）相间传质通过不同的相界面进行。,2.,浓度,（,1,）质量浓度 （单位体积中的组分质量）,总质量密度,（,2,）质量分数,（,3,）摩尔浓度,总摩尔浓度,分子量（,g,）,（,4,）摩尔分数,（,5,）分压,气体,质量分数与摩尔分数的关系？,书,(11-10),(11-11),3.,传质通量,（,1,）速度,A,相对于静止坐标：,i,组分运动速度,v,i,(,m/s,),多组元混合物，质量平均流速,摩尔平均流速,B,相对于质量平均速度,v,：,i,组分运动速度,v,i,-v (,m/s,),C,相对于摩尔平均速度,v,m,：,i,组分运动速度,v,i,-,v,m,(,m/s,),（,2,）传质通量,单位时间内通过单位截面的,i,组分的 质量 质量传质通量 摩尔数摩尔传质通量,A,相对于静止坐标：,i,组分运动速度,v,i,(,m/s,),质量,传质通量,摩尔,传质通量,B,相对于质量平均速度,v,：,i,组分运动速度,v,i,-v (,m/s,),C,相对于摩尔平均速度,v,m,：,i,组分运动速度,v,i,-,v,m,(,m/s,),质量,传质通量,摩尔,传质通量,二、,Fick,第一定律,对于双组分,A,B,溶液,使用相对于质量平均速度：,使用相对于摩尔平均速度：,（质量传质通量）,（摩尔传质通量）,若使用相对于静止坐标的速度：,相对于静止坐标的组分,A,的传质通量，由两部分组成，一部分是由浓度梯度引起，一部分由流动引起。,D,AB,称互扩散系数。,定义由浓度梯度引起的单组元本征扩散：,c,i,摩尔浓度，,i,质量浓度,D,i,本征扩散系数（以自身浓度梯度为动力进行的扩散系数,以化学势为驱动力：,三、菲克第二定律,对于非稳定扩散：,或,三维：,稳定：,有化学反应且,D,i,const,：,四、固体中的扩散和扩散系数,1.,扩散机理（,对金属、非金属晶体）,空位扩散,间隙扩散,环圈扩散,2.,固体扩散系数（,P.254,）,自扩散系数均质材料（无浓度梯度）时的扩散系数。,本征扩散系数以自身浓度梯度为动力的扩散系数。,互扩散系数各组分相互影响下的扩散系数。,3.,柯肯达尔效应,Au-Ni,互相扩散。,Au,棒变短。,表明,Au,向,Ni,中扩散比,Ni,向,Au,中扩散得多，,即,组元的本征扩散系数不相等,。,互扩散系数不仅与组分浓度有关，并且与本征扩散系数有关,达肯方程：,Au,Ni,Au,Ni,900,，,长时间保温,推导：,设标记移动速度,v,，,A-Au,，,B-Ni,A,，,B,组元本征扩散：,质量平衡：,通过某截面的组元,A,的总扩散通量为：,达肯公式,互扩散系数与本征扩散系数的关系,4.,化学位驱动下的扩散系数,扩散驱动力其实是化学势梯度,每个分子所受的驱动力,令,A,的扩散速度为,B,A,：单位驱动力下,A,的扩散速度,淌度,可导得本征扩散系数：,对二元系，令,c,A,=,x,A,c,B,=,x,B,，,由吉布斯,杜亥姆方程：,本征扩散系数之比等于淌度之比。,(11-52),5,.,温度对扩散系数的影响,Arrhenius,公式,金属：,（,11-54,）,原子价,五、流体和多孔介质中的扩散和扩散系数,1,、液体中的扩散系数,大多,10,-4,10,-5,cm,2,/s,。一般也符合,2,、气体中的扩散系数,气体扩散性强，扩散系数主要取物质本性和温度、压力因素，受浓度影响小，无柯肯达尔效应。,对双组分混合气体：,单原子气体,查普曼,恩斯科克公式,(P.262,11-57),非金属气体组分,富勒公式,(P.263,11-58),3,、气体通过多孔介质,分子扩散,克努森扩散,表面扩散,(,过表面吸收层,),分子扩散,孔道直径,d,远大于气体分子平均自由程,(d/100),n,孔隙率。,介质中传质方向上单位长度中的孔道长度。,D,i,eff,有效扩散系数。,（,2,）克努森扩散,(/d 10,，考虑气体与孔壁之间的扩散,),n,孔隙率。,介质中传质方向上单位长度中的孔道长度。,分子扩散,+,克努森扩散：,1.,如果,D,AB,D,K,，则以分子扩散为主，反之以克努森扩散为主。,2.,计算,与,r,的大小，如果,r,，则以克努森扩散为主。,d,分子碰撞直径（,nm,）,N,分子浓度（原子个数,/nm,3,),第十一章 完,