传递现象导论

1、传递现象导论1第1页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日 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

2、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。 2022/8/312第2页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日二、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 2022/8/313第3页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日三、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

3、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。 2022/8/314第4页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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；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。2022/8/315第5页，共40页，2

4、022年，5月20日，22点11分，星期日五、本课程在化学工程课程体系中的地位和作用数学物理化学计算科学化学反应动力学传递过程原理反应工程化工原理化学工程专业课程体系2022/8/316第6页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日六、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简单复杂烧开水射程天气预报核爆炸模拟2022/8/317第7页，共40页，202

5、2年，5月20日，22点11分，星期日五、本课程的特点与物理和数学关系密切，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！2022/8/318第8页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日六、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“

6、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。2022/8/319第9页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日七、本课程的研究方法1. 理论分析方法确定简化的物理模型建立数学模型数学求解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2022/8/3110第10页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日第二节 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

7、机理1、分子动量传递的机理是分子动量交换的结果2022/8/3111第11页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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2022/8/3112第12页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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。2022/8/3113第13页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日氢(黄色)与氧(蓝色)，

8、当温度升高，分子运动速度增加。气体导热2022/8/3114第14页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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。2022/8/3115第15页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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。2022/8/3116第16页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日3、分子质量传递的机理是由热力学第二定律决定的2022/8/3117第17页，共40页，2022年，5月20日，22

9、点11分，星期日二、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。uF0 xu=0yYdu平板间的流体剪应力与速度梯度uF0 xu=0yYdy牛顿粘性定律2022/8/3118第18页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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：2022/8/3119第19页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日也称为动量通量？通量的定义?的单位：为速度梯度，表示垂直于流动方

10、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。那么如果令其中，称为动量扩散系数，也称为运动粘度2022/8/3120第20页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日流体的粘度：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 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 =

11、100cSt = 10-4m2/s运动粘度SI单位制： m2/s动力粘度2022/8/3121第21页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日(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。对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差。2022/8/3122第22页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日(3

12、) 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/s2022/8/3123第23页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日流体类型牛顿流体：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：不符合牛顿粘性定律的流体

13、。 a表观粘度，非纯物性, 是剪应力的函数。2022/8/3124第24页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日 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

14、体2022/8/3125第25页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日0du/dyCBADA-牛顿流体；B-假塑性流体；C-宾汉塑性流体；D-胀塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系0du/dyCBADA-牛顿流体；B-假塑性流体；C-宾汉塑性流体；D-胀塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系2022/8/3126第26页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日0t0依时性流体剪应力与应力作用时间的关系非依时性流体震凝性流体触变性流体2022/8/3127第27页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日（二） 分子热

15、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q 热通量，单位热导率，单位傅立叶导热定律2022/8/3128第28页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日热导率 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。 2022/8/3129第29页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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

16、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 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。2022/8/3130第30页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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。2022/8/3131第31页

17、，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日（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jA扩散通量，单位DAB 扩散系数，单位“”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2022/8/3132第32页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日气体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2

18、022/8/3133第33页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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/s2022/8/3134第34页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日三、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）2022/8/3135第35页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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）其中，称为热量扩散系数q为热量热通量2022/8/3136第36页，共40页，2022年，5月20日，22点11分，星期日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