传递现象导论

1、15:12,1,第1章 传递现象导论,一、本课程的研究内容,传递现象研究的是在物体内部和不同物体之间的动量传递、热量传递和质量传递规律（传递的机理和传递速率,1. 什么是动量传递,2. 什么是热量传递,3. 什么是质量传递,第一节 课程概述,传递现象是自然界和工程技术中普遍存在的现象。对于任何处于不平衡状态的物系，一定会有某些物理量由高强度区向低强度区转移。物理量朝平衡转移的过程即为传递过程,15:12,2,传递过程就是研究传递现象的发生机理及其传递规律的一门课程，这门课程通过研究动量传递、热量传递和质量传递发生的速率与传递推动力(速度梯度、温度梯度、浓度梯度或化学位梯度)之间的关系探索各种传

2、递现象的内在规律，并由此确定各个强度性质的物理量(速度、温度和浓度)随时间和空间的变化关系,传递现象发生的原因是物系内部存在温度差、速度差、浓度差，即物系内部存在某种强度性质物理量的不均匀性。这种不均匀性导致了物系处于一种热力学不平衡状态。根据热力学第二定律，任何一个孤立体系都有自发朝平衡状态发生变化的趋势，使体系的物质和能量分布达到均一化，即自发地向熵增大的方向变化。由此可见，传递现象发生的本质原因是受热力学第二定律的支配，体系存在着自发向平衡状态发生变化的趋势,15:12,3,二、课程的发展历程,20世纪20年代以前,工艺过程,20年代60年代,单元操作,60年代以后,传递现象,15:12

3、,4,三、课程的研究的目的与意义,研究目的： 了解各类传递过程的机理，寻找提高传递过程的速率提供方法； 建立传递过程的数学模型，为设备的改进和生产过程的控制提供依据,研究意义： 研究动量、热量和质量传递的机理和传递规律，不但可以为化工过程提供数学模型，还可以从理论上计算传递过程的速率。这对于化工过程和设备的开发、设计和优化起着非常重要的作用。另一方面，从过程发生的速率角度对动量、热量和质量传递现象进行综合分析，还可以发现三类传递现象之间的类似性和本质上的一致性,15:12,5,对于学生的个人来讲，学好这门课的意义在于,这门课程是工科类考研专业课之一； 学好这门课还是完成本专业培养方案的需要；

4、学好这门课有助于争取更高的奖学金； 学好这门课也是找个好工作的需要； 学好这门课可能会使今后的日常工作得心应手,15:12,6,五、本课程在化学工程课程体系中的地位和作用,化学反应动力学,传递过程原理,化学工程专业课程体系,15:12,7,六、本课程的应用领域,由于传递现象无处不在，因此本课程不仅在工程领域，而且在日常生活领域也有着广泛的应用,1. 动量传递： 在日常生活中； 在工业生产中； 2. 热量传递： 在日常生活中； 在工业生产中； 3. 质量传递： 在日常生活中； 在工业生产中,决的问题实例本课程可以解,烧开水,射程,天气预报,核爆炸模拟,15:12,8,五、本课程的特点,与物理和数

5、学关系密切，对物理和数学的基础知识要求比较高，尤其是数学知识。 理论性强，概念比较抽象，引入的简化假设比较多。 实践性强，与工业生产和日常生活息息相关。 系统性强，各章节的内容相互联系形成了一个有机整体。 三种传递之间的类似性强。 公式多且公式非常复杂,总之一句话，这门课程既有用，又很难,15:12,9,六、本课程的学习方法,与其它相关课程结合起来学习，以收到触类旁通的效果。 把学习的重点放在公式的应用而不是公式的推导上。 着重掌握各物理量的基本概念和公式中物理量的含义。 注意利用“三传”的类似性来获得举一反三的效果。 课前要认真预习。 课上要仔细听讲，学会做笔记。 课下要独立完成作业,15:

6、12,10,七、本课程的研究方法,1. 理论分析方法,2. 实验研究方法,采用因次分析的方法，根据定理，利用无因次准数来描述相关变量之间的关系,3. 数值计算方法,4. 类比法,15:12,11,第二节 传递现象的物理机理及其数学描述,传递现象的分类：分子传递和湍流(涡流)传递,1. 什么是分子传递,2. 什么是湍流传递,一、分子传递的机理,1、分子动量传递的机理,是分子动量交换的结果,15:12,12,2、分子热量传递的机理,1）气体导热的机理,2）液体导热的机理,3）固体导热的机理,A、导体 B、非导体,15:12,13,2、分子传热机理,1）气体导热的机理： 分子不规则热运动时相互碰撞的

7、结果,3）液体导热的机理：很复杂,2）固体导热的机理,A、导体：自由电子运动。 B、非导体：晶格的振动,15:12,14,氢(黄色)与氧(蓝色)，当温度升高，分子运动速度增加,气体导热,15:12,15,导体导热,导电固体有相当多的自由电子在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导热中起着主要作用,15:12,16,非导体导热,非导电固体：导热通过晶格结构的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现,15:12,17,3、分子质量传递的机理,是由热力学第二定律决定的,15:12,18,二、分子传递的数学描述,一）分子动量传递的数学描述,速度梯度：速度沿距离的变化率,牛顿粘性定律,15

8、:12,19,令,为单位面积上的内摩擦力，即摩擦剪应力，单位为Pa，因 的方向与推力F 的方向相反，因此前面带“”号,引入比例系数，上式变为,比例系数称为流体的动力粘度，简称粘度，单位Pas,实测发现,15:12,20,也称为动量通量,通量的定义,的单位,为速度梯度，表示垂直于流动方向上流体速度的变化率,表示剪应力的方向与速度的方向相反，或表示动量通量的方向与速度梯度的方向相反，即动量总是沿着速度降低的方向传递的,其中，称为动量扩散系数，也称为运动粘度,15:12,21,流体的粘度,粘度是流体的物性常数之一，与流体所处的温度、压力、组成和状态有关,1）粘度的单位,SI单位制： Pa s ( N

9、 s /m2) 物理单位制： P(泊), 达因秒/厘米2 cP(厘泊) 换算关系： 1cp = 0.01P = 10-3 Pas = 1mPas,物理单位制：St 换算关系： 1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s,运动粘度,SI单位制： m2/s,动力粘度,15:12,22,2) 粘度的影响因素,液体 粘度随温度升高而降低，压力影响很小,气体 粘度随温度升高而增大，压力影响很小。 但在极高压力下，随压力增加有所增加；而在压力极低情况下随压力的降低而降低,3）粘度的数据来源 各种流体的粘度数据，主要由实验测得,在缺少粘度实验数据时，可按理论公式或经验公式估算粘度。对于

10、压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差,15:12,23,3) 混合物的粘度 对于分子不缔合的液体混合物可用下式计算,常压下气体混合物的粘度，可用下式计算,说明：不同流体的粘度差别很大。例如： 在压强为101.325kPa、温度为20的条件下，空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度分别为,空气 17.910-6 Pas， 14.810-6 m2/s 水 1.0110-3 Pas， 1.0110-6 m2/s 甘油 1.499Pas， 1.1910-3 m2/s,15:12,24,流体类型,牛顿流体：符合牛顿粘性定律的流体,气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。 非牛顿流体：不符合牛顿粘性定

11、律的流体,a表观粘度，非纯物性, 是剪应力的函数,15:12,25,假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。 常见的高分子溶液或溶体属于假塑性流体。 胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。 宾汉塑性流体：存在一个屈服应力0，当应力低于0 时，流体不流动；当应力高于0时，流动与牛顿型流体一样。 如纸浆、牙膏、污水泥浆等。 触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。 震凝性流体：表观粘度随时间的延长而增大，如石膏浆等。 VI 粘弹性流体：既有粘性，又有弹性，如高分子熔融体,非牛顿流体,15:12,26,15:12,27,非依时性流体,震凝性流

12、体,触变性流体,15:12,28,二） 分子热量传递的数学描述,对于各向同性的均匀一维导热，热量通量可以用下式来表示,表示热量通量的方向与温度梯度的方向相反，即热量总是沿着温度降低的方向传递的,为温度梯度,傅立叶导热定律,15:12,29,热导率,1、热导率的定义,在数值上等于单位温度梯度下的热通量 ， 是物质的物理性质之一 。 一般，金属的热导率最大，非金属固体次之，液体的较小，气体的最小,15:12,30,2、固体的热导率 纯金属的热导率一般随温度的升高而降低， 金属的热导率大都随纯度的增加而增大。 非金属的建筑材料或绝热材料的热导率随密度增加而增大，也随温度升高而增大,3、液体的热导率

13、在非金属液体中，水的热导率最大。除水和甘油外，绝大多数液体的热导率随温度的升高而略有减小， 纯液体的热导率比溶液的热导率大,15:12,31,3、气体的热导率 气体的热导率很小，不利于导热，但有利于保温。 气体的热导率随温度升高而加大 。 在相当大的压强范围内，气体的热导率随压强变化极小 注意：在传热过程中，物体内不同位置的温度可能不相同，因而热导率也不同，在工程计算中常取热导率的算术平均值,15:12,32,三）分子质量传递的数学描述,对于双组分物系，质量通量可以用下式来表示,表示质量通量的方向与质量浓度梯度的方向相反，即质量传递总是沿着浓度降低的方向进行的,为质量浓度梯度,费克扩散定律,1

14、5:12,33,气体A在气体B中（或B在A中）的扩散系数，可按马克斯韦尔吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进行估算,物质在液体中的散系数与组分的性质、温度、粘度以及浓度有关。 对于很稀的非电解溶液，物质在液体中的扩散系数,扩散系数的计算,15:12,34,通常气体的分子扩散系数约为：10-510-4 m2/s,液体中的分子扩散系数约为：10-910-10 m2/s,固体中的分子扩散系数约为：10-1010-15 m2/s,15:12,35,三、分子传递定律的通用表达式,首先对三种传递的通量表达式进行分析,1、动量通量的表达式,其中，为动量通量； 为动量扩散系数,可视为动量浓度梯度

15、,所以，动量通量表达式的物理意义为,动量通量）（动量扩散系数）（动量浓度梯度,15:12,36,2、热量通量的表达式,可视为热量浓度梯度,所以，热量通量表达式的物理意义为,热量通量）（热量扩散系数）（热量浓度梯度,q为热量热通量,15:12,37,3、质量通量的表达式,所以，质量通量表达式的物理意义为,jA质量通量,DAB 质量扩散系数,为质量浓度梯度,扩散通量）（扩散系数）（浓度梯度,由此可见，三种传递的物理量的通量可以用统一的公式来描述，即,质量通量）（质量扩散系数）（质量浓度梯度,这种方程也称为现象方程,15:12,38,四、湍流传递（涡流传递）规律,涡流传递是由漩涡的混合作用引起的，由于漩涡的运动方式和分子的无规则运动相似，因此它们可以