傳遞現象導論

1、傳遞現象導論1第1頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日 傳遞過程就是研究傳遞現象的發(fā)生機理及其傳遞規(guī)律的一門課程，這門課程通過研究動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞發(fā)生的速率與傳遞推動力(速度梯度、溫度梯度、濃度梯度或化學位梯度)之間的關系探索各種傳遞現象的內在規(guī)律，并由此確定各個強度性質的物理量(速度、溫度和濃度)隨時間和空間的變化關系。傳遞現象發(fā)生的原因是物系內部存在溫度差、速度差、濃度差，即物系內部存在某種強度性質物理量的不均勻性。這種不均勻性導致了物系處于一種熱力學不平衡狀態(tài)。根據熱力學第二定律，任何一個孤立體系都有自發(fā)朝平衡狀態(tài)發(fā)生變化的趨勢，使體系的物質和能量分布達

2、到均一化，即自發(fā)地向熵增大的方向變化。由此可見，傳遞現象發(fā)生的本質原因是受熱力學第二定律的支配，體系存在著自發(fā)向平衡狀態(tài)發(fā)生變化的趨勢。 2022/8/312第2頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日二、課程的發(fā)展歷程20世紀20年代以前 工藝過程 20年代60年代單元操作 60年代以后傳遞現象 2022/8/313第3頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日三、課程的研究的目的與意義研究目的：了解各類傳遞過程的機理，尋找提高傳遞過程的速率提供方法；建立傳遞過程的數學模型，為設備的改進和生產過程的控制提供依據。 研究意義：研究動量、熱量和質量傳遞的機理和傳

3、遞規(guī)律，不但可以為化工過程提供數學模型，還可以從理論上計算傳遞過程的速率。這對于化工過程和設備的開發(fā)、設計和優(yōu)化起著非常重要的作用。另一方面，從過程發(fā)生的速率角度對動量、熱量和質量傳遞現象進行綜合分析，還可以發(fā)現三類傳遞現象之間的類似性和本質上的一致性。 2022/8/314第4頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日對于學生的個人來講，學好這門課的意義在于：這門課程是工科類考研專業(yè)課之一；學好這門課還是完成本專業(yè)培養(yǎng)方案的需要；學好這門課有助于爭取更高的獎學金；學好這門課也是找個好工作的需要；學好這門課可能會使今后的日常工作得心應手。2022/8/315第5頁，共40頁，2

4、022年，5月20日，22點11分，星期日五、本課程在化學工程課程體系中的地位和作用數學物理化學計算科學化學反應動力學傳遞過程原理反應工程化工原理化學工程專業(yè)課程體系2022/8/316第6頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日六、本課程的應用領域由于傳遞現象無處不在，因此本課程不僅在工程領域，而且在日常生活領域也有著廣泛的應用。1. 動量傳遞： 在日常生活中； 在工業(yè)生產中；2. 熱量傳遞： 在日常生活中； 在工業(yè)生產中；3. 質量傳遞： 在日常生活中； 在工業(yè)生產中；決的問題實例本課程可以解簡單復雜燒開水射程天氣預報核爆炸模擬2022/8/317第7頁，共40頁，202

5、2年，5月20日，22點11分，星期日五、本課程的特點與物理和數學關系密切，對物理和數學的基礎知識要求比較高，尤其是數學知識。理論性強，概念比較抽象，引入的簡化假設比較多。實踐性強，與工業(yè)生產和日常生活息息相關。系統(tǒng)性強，各章節(jié)的內容相互聯(lián)系形成了一個有機整體。三種傳遞之間的類似性強。公式多且公式非常復雜?？傊痪湓?，這門課程既有用，又很難！2022/8/318第8頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日六、本課程的學習方法與其它相關課程結合起來學習，以收到觸類旁通的效果。把學習的重點放在公式的應用而不是公式的推導上。著重掌握各物理量的基本概念和公式中物理量的含義。注意利用“

6、三傳”的類似性來獲得舉一反三的效果。課前要認真預習。課上要仔細聽講，學會做筆記。課下要獨立完成作業(yè)。2022/8/319第9頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日七、本課程的研究方法1. 理論分析方法確定簡化的物理模型建立數學模型數學求解2. 實驗研究方法采用因次分析的方法，根據定理，利用無因次準數來描述相關變量之間的關系。3. 數值計算方法4. 類比法2022/8/3110第10頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日第二節(jié) 傳遞現象的物理機理及其數學描述傳遞現象的分類：分子傳遞和湍流(渦流)傳遞1. 什么是分子傳遞？2. 什么是湍流傳遞？一、分子傳遞的

7、機理1、分子動量傳遞的機理是分子動量交換的結果2022/8/3111第11頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日2、分子熱量傳遞的機理（1）氣體導熱的機理（2）液體導熱的機理（3）固體導熱的機理A、導體B、非導體2022/8/3112第12頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日2、分子傳熱機理（1）氣體導熱的機理： 分子不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果。（3）液體導熱的機理：很復雜。（2）固體導熱的機理A、導體：自由電子運動。B、非導體：晶格的振動。2022/8/3113第13頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日氫(黃色)與氧(藍色)，

8、當溫度升高，分子運動速度增加。氣體導熱2022/8/3114第14頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日導體導熱導電固體有相當多的自由電子在晶格之間像氣體分子那樣運動。自由電子的運動在導熱中起著主要作用。2022/8/3115第15頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日非導體導熱非導電固體：導熱通過晶格結構的振動，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現。2022/8/3116第16頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日3、分子質量傳遞的機理是由熱力學第二定律決定的2022/8/3117第17頁，共40頁，2022年，5月20日，22

9、點11分，星期日二、分子傳遞的數學描述（一）分子動量傳遞的數學描述速度梯度：速度沿距離的變化率。uF0 xu=0yYdu平板間的流體剪應力與速度梯度uF0 xu=0yYdy牛頓粘性定律2022/8/3118第18頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日令為單位面積上的內摩擦力，即摩擦剪應力，單位為Pa，因 的方向與推力F 的方向相反，因此前面帶“”號引入比例系數，上式變?yōu)楸壤禂捣Q為流體的動力粘度，簡稱粘度，單位Pas實測發(fā)現：2022/8/3119第19頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日也稱為動量通量？通量的定義?的單位：為速度梯度，表示垂直于流動方

10、向上流體速度的變化率。“”表示剪應力的方向與速度的方向相反，或表示動量通量的方向與速度梯度的方向相反，即動量總是沿著速度降低的方向傳遞的。那么如果令其中，稱為動量擴散系數，也稱為運動粘度2022/8/3120第20頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日流體的粘度：粘度是流體的物性常數之一，與流體所處的溫度、壓力、組成和狀態(tài)有關。（1）粘度的單位 SI單位制： Pa s ( N s /m2) 物理單位制： P(泊), 達因秒/厘米2 cP(厘泊) 換算關系： 1cp = 0.01P = 10-3 Pas = 1mPas物理單位制：St換算關系： 1St = 1cm2/s =

11、100cSt = 10-4m2/s運動粘度SI單位制： m2/s動力粘度2022/8/3121第21頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日(2) 粘度的影響因素 液體 粘度隨溫度升高而降低，壓力影響很小。 氣體 粘度隨溫度升高而增大，壓力影響很小。 但在極高壓力下，隨壓力增加有所增加；而在壓力極低情況下隨壓力的降低而降低。 （3）粘度的數據來源 各種流體的粘度數據，主要由實驗測得。在缺少粘度實驗數據時，可按理論公式或經驗公式估算粘度。對于壓力不太高的氣體，估算結果較準，對于液體則較差。2022/8/3122第22頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日(3

12、) 混合物的粘度對于分子不締合的液體混合物可用下式計算常壓下氣體混合物的粘度，可用下式計算說明：不同流體的粘度差別很大。例如： 在壓強為101.325kPa、溫度為20的條件下，空氣、水和甘油的動力粘度和運動粘度分別為： 空氣 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頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日流體類型牛頓流體：符合牛頓粘性定律的流體。 氣體及大多數低分子量液體是牛頓型流體。 非牛頓流體：不符合牛頓粘性定律的流體

13、。 a表觀粘度，非純物性, 是剪應力的函數。2022/8/3124第24頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日 假塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而減小。 常見的高分子溶液或溶體屬于假塑性流體。 脹塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸鹽等懸浮液屬于脹塑性流體。 賓漢塑性流體：存在一個屈服應力0，當應力低于0 時，流體不流動；當應力高于0時，流動與牛頓型流體一樣。 如紙漿、牙膏、污水泥漿等。 觸變性流體：表觀粘度隨時間的延長而減小，如油漆等。 震凝性流體：表觀粘度隨時間的延長而增大，如石膏漿等。VI 粘彈性流體：既有粘性，又有彈性，如高分子熔融體。非牛頓流

14、體2022/8/3125第25頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日0du/dyCBADA-牛頓流體；B-假塑性流體；C-賓漢塑性流體；D-脹塑性流體；牛頓流體與非牛頓流體剪應力與速度梯度的關系0du/dyCBADA-牛頓流體；B-假塑性流體；C-賓漢塑性流體；D-脹塑性流體；牛頓流體與非牛頓流體剪應力與速度梯度的關系2022/8/3126第26頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日0t0依時性流體剪應力與應力作用時間的關系非依時性流體震凝性流體觸變性流體2022/8/3127第27頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日（二） 分子熱

15、量傳遞的數學描述對于各向同性的均勻一維導熱，熱量通量可以用下式來表示“”表示熱量通量的方向與溫度梯度的方向相反，即熱量總是沿著溫度降低的方向傳遞的。為溫度梯度q 熱通量，單位熱導率，單位傅立葉導熱定律2022/8/3128第28頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日熱導率 1、熱導率的定義 在數值上等于單位溫度梯度下的熱通量 ， 是物質的物理性質之一 。 一般，金屬的熱導率最大，非金屬固體次之，液體的較小，氣體的最小。 2022/8/3129第29頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日2、固體的熱導率 純金屬的熱導率一般隨溫度的升高而降低，金屬的熱導率大

16、都隨純度的增加而增大。非金屬的建筑材料或絕熱材料的熱導率隨密度增加而增大，也隨溫度升高而增大。3、液體的熱導率 在非金屬液體中，水的熱導率最大。除水和甘油外，絕大多數液體的熱導率隨溫度的升高而略有減小，純液體的熱導率比溶液的熱導率大。2022/8/3130第30頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日3、氣體的熱導率 氣體的熱導率很小，不利于導熱，但有利于保溫。氣體的熱導率隨溫度升高而加大 。在相當大的壓強范圍內，氣體的熱導率隨壓強變化極小 注意：在傳熱過程中，物體內不同位置的溫度可能不相同，因而熱導率也不同，在工程計算中常取熱導率的算術平均值。2022/8/3131第31頁

17、，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日（三）分子質量傳遞的數學描述對于雙組分物系，質量通量可以用下式來表示jA擴散通量，單位DAB 擴散系數，單位“”表示質量通量的方向與質量濃度梯度的方向相反，即質量傳遞總是沿著濃度降低的方向進行的。為質量濃度梯度費克擴散定律2022/8/3132第32頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日氣體A在氣體B中（或B在A中）的擴散系數，可按馬克斯韋爾吉利蘭（Maxwell-Gilliland）公式進行估算 物質在液體中的散系數與組分的性質、溫度、粘度以及濃度有關。 對于很稀的非電解溶液，物質在液體中的擴散系數 擴散系數的計算2

18、022/8/3133第33頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日通常氣體的分子擴散系數約為：10-510-4 m2/s 液體中的分子擴散系數約為：10-910-10 m2/s 固體中的分子擴散系數約為：10-1010-15 m2/s2022/8/3134第34頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日三、分子傳遞定律的通用表達式首先對三種傳遞的通量表達式進行分析1、動量通量的表達式其中，為動量通量； 為動量擴散系數可視為動量濃度梯度所以，動量通量表達式的物理意義為：（動量通量）（動量擴散系數）（動量濃度梯度）2022/8/3135第35頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日2、熱量通量的表達式可視為熱量濃度梯度所以，熱量通量表達式的物理意義為：（熱量通量）（熱量擴散系數）（熱量濃度梯度）其中，稱為熱量擴散系數q為熱量熱通量2022/8/3136第36頁，共40頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日3、質量通量的表達式所以，質量通量表達式的物理意義為：jA質量通量DAB 質量擴散系數為質量濃度梯度（擴散通量）（擴散系數）（濃度梯度）由此可見，三種傳遞的物理量的通量可