第三篇質(zhì)量傳輸

第三篇質(zhì)量傳輸?shù)谌|(zhì)量傳輸緒論物質(zhì)從體系的某一部分遷移到另一部分的現(xiàn)象稱為質(zhì)量傳輸，簡稱傳質(zhì)。研究對象：物質(zhì)的分子、原子的遷移，而不研究物質(zhì)微團、顆料甚至更大體積物質(zhì)在空間的移動。研究目標(biāo)：傳質(zhì)過程中濃度場特征的變化及與此相關(guān)的問題，不研究分子、原子的運動形式。金屬熱態(tài)成形過程中的質(zhì)量傳輸現(xiàn)象均一狀態(tài)相體系中不同空間不同狀態(tài)相間的組分濃度或化學(xué)位差別流體的宏觀流動將物質(zhì)從一處遷移到另一處溶質(zhì)再分配擴散退火滲透釬焊質(zhì)量傳輸常受動量傳輸和熱量傳輸影響砂型、砂芯加熱干燥時，水分子的遷移就受型、芯表面?zhèn)鳠?，爐氣運動因素的影響。研究質(zhì)量傳輸問題時，必須掌握熱量傳輸、動量傳輸?shù)闹R，進行綜合性的運用。本篇內(nèi)容包括：

質(zhì)量傳輸?shù)娜N基本形式11.2菲克第一定律11.1質(zhì)量傳輸方式、濃度與物質(zhì)流11.3菲克第二定律11.4固體中的擴散與擴散系數(shù)11.5流體和多孔介質(zhì)中的擴散與擴散系數(shù)本章內(nèi)容包括本次課主要講授：要求掌握：

1、擴散傳質(zhì)、對流傳質(zhì)和相間傳質(zhì)的基本含義；

2、幾種不同的濃度表示方式；

3、菲克第一、第二定律的表達(dá)式及語言描述。11.2菲克第一定律11.1質(zhì)量傳輸方式、濃度與物質(zhì)流11.3菲克第二定律11.4影響擴散的因素本章主要介紹傳質(zhì)研究中的基本概念、重要術(shù)語和基礎(chǔ)定律。

物質(zhì)的分子或原子在空間的遷移形式基本有三種擴散傳質(zhì)對流傳質(zhì)相間傳質(zhì)擴散傳質(zhì)由于體系中某組分存在分布不均的濃度差而引起的質(zhì)量傳輸稱為擴散傳質(zhì)。

在絕對零度以上，物質(zhì)的分子或原子總處于不規(guī)則的熱運動狀態(tài)，此時不僅發(fā)生能量交換，物質(zhì)的分子或原子也可能遷移。當(dāng)體系中某一組元的濃度分布不均時，由高濃度區(qū)遷出的該組元分子或原子數(shù)目將比由低濃度區(qū)遷進的分子或原子數(shù)目多，使兩區(qū)的濃度差減弱，出現(xiàn)了質(zhì)量傳輸。對流傳質(zhì)在流體中，由于流體宏觀流動引起物質(zhì)從一處遷移到另一處的現(xiàn)象稱為對流傳質(zhì)。對流傳質(zhì)過程中，既存在流體主運動引起的傳質(zhì)，也會出現(xiàn)流體中某組元濃度場引起的擴散傳質(zhì)。對流傳質(zhì)與流體的流動狀態(tài)、流體動量傳輸密切相關(guān)，其機理與對流換熱相似。相間傳質(zhì)相間傳質(zhì)既有分子或原子的擴散傳質(zhì)，又有流體中的對流傳質(zhì)。相間傳質(zhì)是通過不同相的相界面進行多種傳質(zhì)過程的綜合。鋼件滲氮熱處理時是通過氣、固界面進行的在相界面上有時發(fā)生集聚狀態(tài)的變化或化學(xué)反應(yīng)，相界面兩邊介質(zhì)的性質(zhì)和運動狀態(tài)等都對相間傳質(zhì)有影響。（各種濃度表示法和定義）單位時間內(nèi)通過單位截面的物質(zhì)i組分摩爾數(shù)稱為i組分的摩爾傳質(zhì)通量J

i；

單位時間通過單位截面的i組元的質(zhì)量稱為i組元的質(zhì)量傳質(zhì)通量j

i。

如圖所示，設(shè)有一根固溶體合金棒，在沿其長度方向x存在著濃度梯度。經(jīng)高溫加熱若干時間后，因溶質(zhì)原子的遷移而逐漸達(dá)到成分均勻。雖然固體金屬中單個原子的運動是無規(guī)則的，但從大量溶質(zhì)原子的統(tǒng)計來看顯然有更多的原子是自濃度高的一邊移向濃度低的另一邊擴散，即存在著溶質(zhì)原子的擴散流。

11.2菲克第一定律

A.Fick指出：在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量(稱為擴散通量J)與該截面處的濃度梯度呈正比。這個規(guī)律稱為菲克第一定律或擴散第一定律。設(shè)擴散是沿著x軸方向進行的，即濃度梯度為dC/dx，

則菲克第一定律可寫成方程式：D——m2/sJ——kg/s.m2

用化學(xué)位表示的菲克第一定律：

求出的是瞬時物質(zhì)通量，但傳質(zhì)過程會引起體系內(nèi)濃度梯度隨時間發(fā)生變化，即出現(xiàn)了濃度場。

濃度場隨時間發(fā)生變化的擴散傳質(zhì)狀態(tài)稱為不穩(wěn)定(或非穩(wěn)態(tài))擴散傳質(zhì)。

對于不穩(wěn)定擴散傳質(zhì)，并且擴散過程無化學(xué)反應(yīng)，可根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過對體系中微元體列出質(zhì)量平衡式，就可獲得濃度場的微分方程，得出菲克第二定律。11.3菲克第二定律

為簡化問題的研究，這里只討論在x軸方向上的一維擴散問題。如圖所示，單位時間內(nèi)擴散輸入和輸出微元體（ΔxΔyΔz）的摩爾濃度的差值為：同除（ΔxΔyΔz）11.4固體中的擴散與擴散系數(shù)P258（11.4.5）由擴散第一定律可以看出，單位時間內(nèi)擴散通量的大?。〝U散速度的快慢）取決于擴散系數(shù)D和濃度梯度。因此在一定的條件下，擴散的快慢主要取決于擴散系數(shù)D。R=8.314J/K·mol擴散系數(shù)與溫度和擴散激活能等有關(guān)，可用（Arrhenius公式）表示：溫度是影響擴散系數(shù)的最主要因素。溫度越高，原子的能量越大，越易發(fā)生遷移，擴散系數(shù)越大。

碳在γ-Fe中擴散時，D

0=2.0×10-5m2/s，Q=140×103J/mol。R=8.314J/K·mol，試計算在927和1027℃時的碳的擴散系數(shù)，并說明溫度對擴散的影響。根據(jù)Arrhenius公式：可見，溫度從927提高到1027，就使擴散系數(shù)增加3倍，即滲碳速度增加了3倍。FCC致密度74%BCC致密度68%HCP致密度74%研究生入學(xué)試題選北科大考研《金屬學(xué)》試題（2002）五、寫出菲克第一定律的表達(dá)式，并說明其意義。簡述影響擴散的因素。（10分）五、簡述菲克第一、二定律的含義，寫出其表達(dá)式，并表明其字母的物理含義。（1