傳遞過(guò)程原理第一章

傳遞過(guò)程原理第一章第一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日1.1傳遞過(guò)程的分類一、平衡過(guò)程與速率過(guò)程二、擴(kuò)散傳遞與對(duì)流傳遞第一章傳遞過(guò)程概論第二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日大量的物理、化學(xué)現(xiàn)象中，同時(shí)存在著正反兩個(gè)方向的變化，如：固體的溶解和析出，升華與凝華、可逆化學(xué)反應(yīng)當(dāng)過(guò)程變化達(dá)到極限，就構(gòu)成平衡狀態(tài)。如化學(xué)平衡、相平衡等。此時(shí)，正反兩個(gè)方向變化的速率相等，凈速率為零。不平衡時(shí)，兩個(gè)方向上的速率不等，就會(huì)發(fā)生某種物理量的轉(zhuǎn)移，使物系趨于平衡。一、平衡過(guò)程與速率過(guò)程第三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日

熱力學(xué)：探討平衡過(guò)程的規(guī)律，考察給定條件下過(guò)程能否自動(dòng)進(jìn)行？進(jìn)行到什么程度？條件變化對(duì)過(guò)程有何影響等。

動(dòng)力學(xué)：探討速率過(guò)程的規(guī)律，化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究化學(xué)變化的速率及濃度、溫度、催化劑等因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響；傳遞動(dòng)力學(xué)研究物理過(guò)程變化的速率及有關(guān)影響因素。一、平衡過(guò)程與速率過(guò)程第四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日物理過(guò)程的速率：1.動(dòng)量傳遞過(guò)程—物體的質(zhì)量與速度的乘積被定義為動(dòng)量，速度可認(rèn)為是單位質(zhì)量物體的動(dòng)量。因此，同一物體，速率不同，其動(dòng)量也不同。在流體中，若兩個(gè)相鄰的流體層的速度不同，則將發(fā)生由高速層向低速層的動(dòng)量傳遞。u1u2動(dòng)量傳遞方向一、平衡過(guò)程與速率過(guò)程第五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日2.熱量傳遞過(guò)程—當(dāng)物系中各部分之間的溫度存在差異時(shí)，則發(fā)生由高溫區(qū)向低溫區(qū)的熱量傳遞。t1t2t3t1＞t2＞t3熱流方向一、平衡過(guò)程與速率過(guò)程第六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日3.質(zhì)量傳遞過(guò)程—當(dāng)物系中的物質(zhì)存在化學(xué)勢(shì)差異時(shí)，則發(fā)生由高化學(xué)勢(shì)區(qū)向低化學(xué)勢(shì)區(qū)域的質(zhì)量傳遞?；瘜W(xué)勢(shì)的差異可以由濃度、溫度、壓力或電場(chǎng)力所引起。最常見(jiàn)的是濃度差引起的質(zhì)量傳遞過(guò)程。此時(shí)混合物中的某個(gè)組分由高濃度向低濃度區(qū)擴(kuò)散傳遞。一、平衡過(guò)程與速率過(guò)程第七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日傳遞過(guò)程的速率可以用通式表示如下：本課程主要討論動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞過(guò)程的速率。一、平衡過(guò)程與速率過(guò)程第八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日二、擴(kuò)散傳遞與對(duì)流傳遞對(duì)流傳遞—由流體的宏觀運(yùn)動(dòng)引起擴(kuò)散傳遞分子傳遞—由分子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起渦流傳遞—由微團(tuán)的脈動(dòng)引起（湍流）傳遞第九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日牛頓粘性定律－比例系數(shù)，稱為流體的粘度；－單位面積上的剪切力稱為剪應(yīng)力；－速度梯度。1.分子傳遞的基本定律描述分子動(dòng)量傳遞的基本定律二、擴(kuò)散傳遞與對(duì)流傳遞第十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日傅立葉定律描述分子導(dǎo)熱的基本定律－介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；－溫度梯度。

－導(dǎo)熱通量；t1＞t2＞t3t1t2t3熱流方向二、擴(kuò)散傳遞與對(duì)流傳遞第十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日費(fèi)克定律

描述2組元混合物體系中A存在濃度梯度時(shí)的分子擴(kuò)散：

jA－組分A的擴(kuò)散質(zhì)量通量；

DAB

－組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù)；

－組分A的質(zhì)量濃度梯度。二、擴(kuò)散傳遞與對(duì)流傳遞第十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日2.渦流傳遞以上分子動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞的類似性，僅發(fā)生在作層流流動(dòng)的流體內(nèi)部（動(dòng)量傳遞），或固體中（熱量或質(zhì)量傳遞）。當(dāng)流體作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，除分子傳遞之外，還有渦流傳遞—由于流體質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)引起的傳遞。二、擴(kuò)散傳遞與對(duì)流傳遞第十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日渦流傳遞＞＞分子傳遞渦流動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞可表示為：二、擴(kuò)散傳遞與對(duì)流傳遞第十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日3.對(duì)流傳遞的概念由于流體作宏觀運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量、熱量與質(zhì)量的遷移過(guò)程，該過(guò)程僅發(fā)生在流體運(yùn)動(dòng)時(shí):動(dòng)量的對(duì)流傳遞速率：ρuxux

Auxt熱量的對(duì)流傳遞速率：ρcptuxAA二、擴(kuò)散傳遞與對(duì)流傳遞第十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第一章傳遞過(guò)程概論1.1傳遞過(guò)程的分類1.2動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞的類似性一、分子傳遞的通用表達(dá)式二、分子傳遞的類似性三、渦流傳遞的類似性第十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日1.分子動(dòng)量通量對(duì)牛頓粘性定律作量綱分析，設(shè)密度為常數(shù)：一、分子傳遞的通用表達(dá)式第十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日量綱分析一、分子傳遞的通用表達(dá)式第十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日動(dòng)量傳遞機(jī)理：層流—分子動(dòng)量傳遞兩層流體速度不同，具有不同的動(dòng)量濃度。在動(dòng)量梯度的作用下，動(dòng)量將自發(fā)地由高動(dòng)量區(qū)向低動(dòng)量區(qū)轉(zhuǎn)移。微觀上，速度較高的流層中的分子以隨機(jī)運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)入速度較慢的流層中；低速流層中亦有等量隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的分子進(jìn)入高速流層,實(shí)現(xiàn)動(dòng)量交換。

一、分子傳遞的通用表達(dá)式第十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日量綱分析結(jié)果τ

－動(dòng)量通量－動(dòng)量濃度梯度ν

－動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)

動(dòng)量通量=－動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)×動(dòng)量濃度梯度一、分子傳遞的通用表達(dá)式第二十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日2.分子熱量通量傅立葉定律的量綱分析：一、分子傳遞的通用表達(dá)式第二十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日量綱分析一、分子傳遞的通用表達(dá)式第二十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日

q/A－熱量通量－熱量濃度梯度－熱量擴(kuò)散系數(shù)

量綱分析結(jié)果熱量通量=－熱量擴(kuò)散系數(shù)×熱量濃度梯度一、分子傳遞的通用表達(dá)式第二十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日3.分子質(zhì)量通量費(fèi)克定律的量綱分析：一、分子傳遞的通用表達(dá)式第二十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日量綱分析結(jié)果

jA－質(zhì)量通量

－質(zhì)量濃度梯度

－質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)質(zhì)量通量=－質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)×質(zhì)量濃度梯度一、分子傳遞的通用表達(dá)式第二十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日質(zhì)量通量=－質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)×質(zhì)量濃度梯度熱量通量=－熱量擴(kuò)散系數(shù)×熱量濃度梯度動(dòng)量通量=－動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)×動(dòng)量濃度梯度通量=－擴(kuò)散系數(shù)×濃度梯度的量綱相同，擴(kuò)散系數(shù)m2/s“－”表示通量的方向與梯度的方向相反。二、分子傳遞的類似性第二十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日通量=－擴(kuò)散系數(shù)×濃度梯度二、分子傳遞的類似性上式稱為現(xiàn)象方程（Phenomenologicalequation)第二十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日三、渦流傳遞的類似性渦流傳遞＞＞分子傳遞渦流動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞：渦流傳遞通量=-渦流擴(kuò)散系數(shù)×渦流濃度梯度第二十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日第一章傳遞過(guò)程概論1.1傳遞過(guò)程的分類1.3傳遞過(guò)程的研究方法1.2動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞的類似性一、守恒定律與衡算方法二、系統(tǒng)與控制體三、拉格朗日觀點(diǎn)和歐拉觀點(diǎn)四、幾個(gè)常用算子第二十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日一、守恒定律與衡算方法對(duì)于任一過(guò)程或物理現(xiàn)象，進(jìn)行動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞研究，都離不開自然界普遍適用的守恒定律：

動(dòng)量守恒定律—牛頓第二定律、熱量守恒定律—熱力學(xué)第一定律以及質(zhì)量守恒定律。對(duì)所選過(guò)程或物理現(xiàn)象，劃定一個(gè)確定的衡算范圍，將動(dòng)量、熱量與質(zhì)量守恒定律應(yīng)用于該范圍，進(jìn)行物理量的衡算。第三十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日w1WQw2（a）（b）（c）對(duì)流體流動(dòng)體系的衡算一、守恒定律與衡算方法第三十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（1）宏觀水平上描述以圖所示的虛線作衡算范圍進(jìn)行總衡算：質(zhì)量衡算輸入的質(zhì)量流率-輸出的質(zhì)量流率=累積的質(zhì)量流率能量衡算輸入的熱量速率-流出的熱量速率+加入的熱速率-系統(tǒng)對(duì)外作功速率=累積的熱速率一、守恒定律與衡算方法第三十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日動(dòng)量衡算輸入的動(dòng)量速率-流出的動(dòng)量速率+作用在體系上的合外力=累積的動(dòng)量速率一、守恒定律與衡算方法第三十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日總衡算的局限性：總衡算只能考察系統(tǒng)的流入、流出以及內(nèi)部的平均變化情況，系統(tǒng)內(nèi)部物理量如溫度、壓力、密度、速度等的變化規(guī)律無(wú)法得知。總衡算的方法在化工設(shè)計(jì)計(jì)算中常用—物料衡算與熱量衡算等。一、守恒定律與衡算方法第三十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（2）微觀水平上描述微觀衡算（微分衡算）—在研究對(duì)象內(nèi)部選擇一個(gè)有代表性的微分點(diǎn)，將守恒定律應(yīng)用于該點(diǎn)。通過(guò)衡算，得出一組描述動(dòng)量、熱量與質(zhì)量變化的微分方程，成為變化方程（Equationofchange）。然后通過(guò)積分，獲得系統(tǒng)內(nèi)部的速度、溫度及濃度的變化規(guī)律。這些變化規(guī)律對(duì)于傳遞速率的求解必不可少。一、守恒定律與衡算方法第三十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日（3）分子水平上描述根據(jù)分子結(jié)構(gòu)、分子間的相互作用，作分子水平上的考察，對(duì)于動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞的理解是有幫助的。如各種傳遞系數(shù)（黏度、擴(kuò)散性、導(dǎo)熱性等）可以應(yīng)用流體的分子運(yùn)動(dòng)理論求解。一、守恒定律與衡算方法第三十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日總衡算的方法在其他課程已學(xué)過(guò)。本課程主要討論微分衡算的方法，通過(guò)建立描述各種過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，研究動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞的速率。一、守恒定律與衡算方法第三十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日二、系統(tǒng)與控制體根據(jù)所考察的對(duì)象不同，選用衡算范圍的方法有兩種：控制體系統(tǒng)第三十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日控制體特點(diǎn)：相對(duì)于坐標(biāo)其體積不變，包圍該空間體積的界面稱為控制面。流體可以自由進(jìn)出控制體，控制面上可有力的作用和能量交換。其特點(diǎn)是體積、位置固定，輸入和輸出控制體的物理量隨時(shí)間改變?！哂写_定不變的空間區(qū)域（體積）。在傳遞過(guò)程中，控制體指流體在流動(dòng)過(guò)程中所通過(guò)的固定不變的空間區(qū)域。二、系統(tǒng)與控制體第三十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日系統(tǒng)特點(diǎn)：系統(tǒng)與環(huán)境之間無(wú)質(zhì)量交換，但在界面上有力的作用及能量的交換。系統(tǒng)的邊界隨著環(huán)境流體一起運(yùn)動(dòng)，因此其體積、位置和形狀是隨時(shí)間變化的。系統(tǒng)uu—包含確定不變物質(zhì)（流體質(zhì)點(diǎn)）的集合，系統(tǒng)以外的一切稱為環(huán)境。在傳遞過(guò)程中，系統(tǒng)指由確定流體質(zhì)點(diǎn)所組成的流體元。二、系統(tǒng)與控制體第四十頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日三、拉格朗日觀點(diǎn)和歐拉觀點(diǎn)根據(jù)研究所選定的衡算范圍是控制體還是系統(tǒng)，有兩種相應(yīng)的研究方法：拉格朗日觀點(diǎn)（Lagrangeviewpoint）歐拉觀點(diǎn)（Eulerviewpoint）第四十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日歐拉觀點(diǎn)著眼于流場(chǎng)中的空間點(diǎn)，以流場(chǎng)中的固定空間點(diǎn)（控制體）為考察對(duì)象，研究流體質(zhì)點(diǎn)通過(guò)空間固定點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。然后綜合所有空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化，得到整個(gè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。體積固定三、拉格朗日觀點(diǎn)和歐拉觀點(diǎn)第四十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日拉格朗日觀點(diǎn)著眼于流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)著的流體質(zhì)點(diǎn)（系統(tǒng)），跟蹤觀察每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡及其速度、壓力等量隨時(shí)間的變化。然后綜合所有流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，得到整個(gè)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。質(zhì)點(diǎn)(質(zhì)量固定）三、拉格朗日觀點(diǎn)和歐拉觀點(diǎn)第四十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日原則上講，兩種方法所得結(jié)果一致，都可采用。三、拉格朗日觀點(diǎn)和歐拉觀點(diǎn)第四十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日

所謂算子是一種數(shù)學(xué)符號(hào)縮寫的算符。本課程中常用的算子有：（1）哈密爾頓算子▽；（2）拉普拉斯算子Δ；（3）隨體導(dǎo)數(shù)算子四、幾個(gè)常用算子第四十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日

哈密爾頓算子在直角坐標(biāo)下的展開式（下同）：1、▽算子（HamiltonOperators)哈密爾頓算子是一個(gè)矢性、微分算子，它具有矢量和微分雙重性質(zhì)。在本課程中，有關(guān)哈密爾頓算子的運(yùn)算有下面三種形式：四、幾個(gè)常用算子第四十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日①作用在數(shù)性函數(shù)（如溫度t）上，稱為梯度，例：求數(shù)量場(chǎng)的溫度梯度。四、幾個(gè)常用算子第四十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日②作用在矢性函數(shù)（如速度u

)上，點(diǎn)乘所得結(jié)果稱為散度。例：求矢量場(chǎng)四、幾個(gè)常用算子第四十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，2022年，8月28日③叉積所得結(jié)果稱為旋度四、幾個(gè)常用