傳遞現(xiàn)象導(dǎo)論

傳遞現(xiàn)象導(dǎo)論1第一頁，共四十頁，2022年，8月28日傳遞過程就是研究傳遞現(xiàn)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(zhì)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(xué)位梯度)之間的關(guān)系探索各種傳遞現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，并由此確定各個強度性質(zhì)的物理量(速度、溫度和濃度)隨時間和空間的變化關(guān)系。傳遞現(xiàn)象發(fā)生的原因是物系內(nèi)部存在溫度差、速度差、濃度差，即物系內(nèi)部存在某種強度性質(zhì)物理量的不均勻性。這種不均勻性導(dǎo)致了物系處于一種熱力學(xué)不平衡狀態(tài)。根據(jù)熱力學(xué)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(zhì)和能量分布達到均一化，即自發(fā)地向熵增大的方向變化。由此可見，傳遞現(xiàn)象發(fā)生的本質(zhì)原因是受熱力學(xué)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。2023/3/132第二頁，共四十頁，2022年，8月28日二、課程的發(fā)展歷程20世紀(jì)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(xiàn)象2023/3/133第三頁，共四十頁，2022年，8月28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(shù)學(xué)模型，為設(shè)備的改進和生產(chǎn)過程的控制提供依據(jù)。

研究意義：研究動量、熱量和質(zhì)量傳遞的機理和傳遞規(guī)律，不但可以為化工過程提供數(shù)學(xué)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(shè)備的開發(fā)、設(shè)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(zhì)量傳遞現(xiàn)象進行綜合分析，還可以發(fā)現(xiàn)三類傳遞現(xiàn)象之間的類似性和本質(zhì)上的一致性。2023/3/134第四頁，共四十頁，2022年，8月28日對于學(xué)生的個人來講，學(xué)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(xué)好這門課還是完成本專業(yè)培養(yǎng)方案的需要；學(xué)好這門課有助于爭取更高的獎學(xué)金；學(xué)好這門課也是找個好工作的需要；學(xué)好這門課可能會使今后的日常工作得心應(yīng)手。2023/3/135第五頁，共四十頁，2022年，8月28日五、本課程在化學(xué)工程課程體系中的地位和作用數(shù)學(xué)物理化學(xué)計算科學(xué)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)傳遞過程原理反應(yīng)工程化工原理化學(xué)工程專業(yè)課程體系2023/3/136第六頁，共四十頁，2022年，8月28日六、本課程的應(yīng)用領(lǐng)域由于傳遞現(xiàn)象無處不在，因此本課程不僅在工程領(lǐng)域，而且在日常生活領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。1.動量傳遞：在日常生活中；在工業(yè)生產(chǎn)中；2.熱量傳遞：在日常生活中；在工業(yè)生產(chǎn)中；3.質(zhì)量傳遞：在日常生活中；在工業(yè)生產(chǎn)中；決的問題實例本課程可以解簡單復(fù)雜燒開水射程天氣預(yù)報核爆炸模擬2023/3/137第七頁，共四十頁，2022年，8月28日五、本課程的特點與物理和數(shù)學(xué)關(guān)系密切，對物理和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識要求比較高，尤其是數(shù)學(xué)知識。理論性強，概念比較抽象，引入的簡化假設(shè)比較多。實踐性強，與工業(yè)生產(chǎn)和日常生活息息相關(guān)。系統(tǒng)性強，各章節(jié)的內(nèi)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(fù)雜。總之一句話，這門課程既有用，又很難！2023/3/138第八頁，共四十頁，2022年，8月28日六、本課程的學(xué)習(xí)方法與其它相關(guān)課程結(jié)合起來學(xué)習(xí)，以收到觸類旁通的效果。把學(xué)習(xí)的重點放在公式的應(yīng)用而不是公式的推導(dǎo)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“三傳”的類似性來獲得舉一反三的效果。課前要認真預(yù)習(xí)。課上要仔細聽講，學(xué)會做筆記。課下要獨立完成作業(yè)。2023/3/139第九頁，共四十頁，2022年，8月28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(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)求解2.實驗研究方法采用因次分析的方法，根據(jù)π定理，利用無因次準(zhǔn)數(shù)來描述相關(guān)變量之間的關(guān)系。3.數(shù)值計算方法4.類比法2023/3/1310第十頁，共四十頁，2022年，8月28日第二節(jié)傳遞現(xiàn)象的物理機理及其數(shù)學(xué)描述傳遞現(xiàn)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、分子傳遞的機理1、分子動量傳遞的機理是分子動量交換的結(jié)果2023/3/1311第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日2、分子熱量傳遞的機理（1）氣體導(dǎo)熱的機理（2）液體導(dǎo)熱的機理（3）固體導(dǎo)熱的機理A、導(dǎo)體B、非導(dǎo)體2023/3/1312第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日2、分子傳熱機理（1）氣體導(dǎo)熱的機理：分子不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果。（3）液體導(dǎo)熱的機理：很復(fù)雜。（2）固體導(dǎo)熱的機理A、導(dǎo)體：自由電子運動。B、非導(dǎo)體：晶格的振動。2023/3/1313第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日氫(黃色)與氧(藍色)，當(dāng)溫度升高，分子運動速度增加。氣體導(dǎo)熱2023/3/1314第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日導(dǎo)體導(dǎo)熱導(dǎo)電固體有相當(dāng)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(dǎo)熱中起著主要作用。2023/3/1315第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日非導(dǎo)體導(dǎo)熱非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱通過晶格結(jié)構(gòu)的振動，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現(xiàn)。2023/3/1316第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日3、分子質(zhì)量傳遞的機理是由熱力學(xué)第二定律決定的2023/3/1317第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日二、分子傳遞的數(shù)學(xué)描述（一）分子動量傳遞的數(shù)學(xué)描述速度梯度：速度沿距離的變化率。uF0xu=0yYdu平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度uF0xu=0yYdy——牛頓粘性定律2023/3/1318第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日令τ為單位面積上的內(nèi)摩擦力，即摩擦剪應(yīng)力，單位為Pa，因τ

的方向與推力F的方向相反，因此前面帶“－”號引入比例系數(shù)μ，上式變?yōu)楸壤禂?shù)μ稱為流體的動力粘度，簡稱粘度，單位Pa·s實測發(fā)現(xiàn)：2023/3/1319第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日τ也稱為動量通量？通量的定義?τ的單位：為速度梯度，表示垂直于流動方向上流體速度的變化率?！埃北硎炯魬?yīng)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，ν稱為動量擴散系數(shù)，也稱為運動粘度2023/3/1320第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日流體的粘度：粘度是流體的物性常數(shù)之一，與流體所處的溫度、壓力、組成和狀態(tài)有關(guān)。（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2cP(厘泊)

換算關(guān)系：1cp=0.01P=10-3Pa·s=1mPa·s物理單位制：St換算關(guān)系：1St=1cm2/s=100cSt=10-4m2/s運動粘度SI單位制：m2/s動力粘度2023/3/1321第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日(2)粘度的影響因素①液體粘度隨溫度升高而降低，壓力影響很小。

②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(shù)據(jù)來源各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實驗測得。在缺少粘度實驗數(shù)據(jù)時，可按理論公式或經(jīng)驗公式估算粘度。對于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)，對于液體則較差。2023/3/1322第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日(3)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η

＝17.9×10-6Pa·s，ν

＝14.8×10-6m2/s水η

＝1.01×10-3Pa·s，ν＝1.01×10-6m2/s甘油η

＝1.499Pa·s，ν

＝1.19×10-3m2/s2023/3/1323第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日流體類型①牛頓流體：符合牛頓粘性定律的流體。

氣體及大多數(shù)低分子量液體是牛頓型流體。②非牛頓流體：不符合牛頓粘性定律的流體。

a——表觀粘度，非純物性,是剪應(yīng)力的函數(shù)。2023/3/1324第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日Ⅰ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。Ⅱ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。Ⅲ賓漢塑性流體：存在一個屈服應(yīng)力τ0，當(dāng)應(yīng)力低于τ0時，流體不流動；當(dāng)應(yīng)力高于τ0時，流動與牛頓型流體一樣。如紙漿、牙膏、污水泥漿等。Ⅳ觸變性流體：表觀粘度隨時間的延長而減小，如油漆等。Ⅴ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。非牛頓流體2023/3/1325第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日0du/dyτCBADA-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(yīng)力與速度梯度的關(guān)系0du/dyτCBADA-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(yīng)力與速度梯度的關(guān)系2023/3/1326第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日0tτ0τ依時性流體剪應(yīng)力與應(yīng)力作用時間的關(guān)系非依時性流體震凝性流體觸變性流體2023/3/1327第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日（二）分子熱量傳遞的數(shù)學(xué)描述對于各向同性的均勻一維導(dǎo)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λ——熱導(dǎo)率，單位——傅立葉導(dǎo)熱定律2023/3/1328第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日熱導(dǎo)率1、熱導(dǎo)率的定義在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。一般，金屬的熱導(dǎo)率最大，非金屬固體次之，液體的較小，氣體的最小。2023/3/1329第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日2、固體的熱導(dǎo)率純金屬的熱導(dǎo)率一般隨溫度的升高而降低，金屬的熱導(dǎo)率大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(dǎo)率隨密度增加而增大，也隨溫度升高而增大。3、液體的熱導(dǎo)率在非金屬液體中，水的熱導(dǎo)率最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而略有減小，純液體的熱導(dǎo)率比溶液的熱導(dǎo)率大。2023/3/1330第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日3、氣體的熱導(dǎo)率氣體的熱導(dǎo)率很小，不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫。氣體的熱導(dǎo)率隨溫度升高而加大。在相當(dāng)大的壓強范圍內(nèi)，氣體的熱導(dǎo)率隨壓強變化極小

注意：在傳熱過程中，物體內(nèi)不同位置的溫度可能不相同，因而熱導(dǎo)率也不同，在工程計算中常取熱導(dǎo)率的算術(shù)平均值。2023/3/1331第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日（三）分子質(zhì)量傳遞的數(shù)學(xué)描述對于雙組分物系，質(zhì)量通量可以用下式來表示jA——擴散通量，單位DAB

——擴散系數(shù)，單位“－”表示質(zhì)量通量的方向與質(zhì)量濃度梯度的方向相反，即質(zhì)量傳遞總是沿著濃度降低的方向進行的。為質(zhì)量濃度梯度——費克擴散定律2023/3/1332第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日氣體A在氣體B中（或B在A中）的擴散系數(shù)，可按馬克斯韋爾—吉利蘭（Maxwell-Gilliland）公式進行估算

物質(zhì)在液體中的散系數(shù)與組分的性質(zhì)、溫度、粘度以及濃度有關(guān)。對于很稀的非電解溶液，物質(zhì)在液體中的擴散系數(shù)擴散系數(shù)的計算2023/3/1333第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日通常氣體的分子擴散系數(shù)約為：10-5～10-4m2/s液體中的分子擴散系數(shù)約為：10-9～10-10m2/s固體中的分子擴散系數(shù)約為：10-10～10-15m2/s2023/3/1334第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28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，τ為動量通量；ν為動量擴散系數(shù)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(shù)）×（動量濃度梯度）2023/3/1335第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28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(shù)）×（熱量濃度梯度）其中，稱為熱量擴散系數(shù)q為熱量熱通量2023/3/1336第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日3、質(zhì)量通量的表達式所以，質(zhì)量通量表達式的物理意義為：jA——質(zhì)量通量DAB

——質(zhì)量擴散系數(shù)為質(zhì)