重慶大學(xué)熱質(zhì)交換原理與設(shè)備(chapter2 A)

1、物質(zhì)濃度物質(zhì)濃度有關(guān)物質(zhì)濃度現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)有關(guān)物質(zhì)濃度現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)是否有差異？是否有差異？花露水花露水近距離的感受近距離的感受遠(yuǎn)距離的感受遠(yuǎn)距離的感受如何用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)如何用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)表示這種差異？表示這種差異？2.1傳質(zhì)概論2.1.1混合物（A、B）組成的表示方法2.1.1.1質(zhì)量濃度和物質(zhì)的量濃度1.質(zhì)量濃度 A A = M = MA A /V /V混合物體積組分A的質(zhì)量2 物質(zhì)的量濃度C CA A=n=nA A/V/V兩者的關(guān)系式：組分A的摩爾混合物體積2.1.1.2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)2 摩爾分?jǐn)?shù)與傳質(zhì)速度有關(guān)的現(xiàn)象與傳質(zhì)速度有關(guān)的現(xiàn)象如何定義這種現(xiàn)象？如何定義這種現(xiàn)象？傳質(zhì)速度傳

2、質(zhì)速度靜風(fēng)靜風(fēng)有風(fēng)有風(fēng)花露水花露水 相同相同距離距離 感受到感受到氣味的時(shí)氣味的時(shí)間是否有間是否有差異？差異？2.1.2 傳質(zhì)的速度與擴(kuò)散通量2.1.2.1 傳質(zhì)的速度絕對(duì)速度:相對(duì)于外界靜止坐標(biāo)(uA uB)與傳質(zhì)通量相關(guān)的現(xiàn)象與傳質(zhì)通量相關(guān)的現(xiàn)象傳質(zhì)通量傳質(zhì)通量如何定義這種現(xiàn)象？如何定義這種現(xiàn)象？距離相同距離相同風(fēng)速相同風(fēng)速相同感受到氣味是否感受到氣味是否有差異？有差異？如何用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)？如何用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)？單位時(shí)間穿過(guò)垂直面的距離：?jiǎn)挝粫r(shí)間穿過(guò)垂直面的距離：?jiǎn)挝粫r(shí)間穿過(guò)單位面積的體積：?jiǎn)挝粫r(shí)間穿過(guò)單位面積的體積：?jiǎn)挝粫r(shí)間穿過(guò)單位面積的質(zhì)量：?jiǎn)挝粫r(shí)間穿過(guò)單位面積的質(zhì)量：AAuus1AAu

3、usV11AAAAuVM傳質(zhì)通量定義：傳質(zhì)通量定義： 單位時(shí)間通過(guò)垂直于傳質(zhì)方向上單位面積單位時(shí)間通過(guò)垂直于傳質(zhì)方向上單位面積的物質(zhì)的量，單位是的物質(zhì)的量，單位是 。)/(2smkg+傳質(zhì)的通量+定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)垂直于傳質(zhì)方向上單位面積物質(zhì)的量+1 以絕對(duì)速度表示的質(zhì)量通量+2 平均速度定義（主體速度）以質(zhì)量為基準(zhǔn)以質(zhì)量為基準(zhǔn)以摩爾為基準(zhǔn)以摩爾為基準(zhǔn)BBAAuuuBBAAmuCuCuC2 以主體速度表示的質(zhì)量通量擴(kuò)散速度:相對(duì)于主體速度的移動(dòng)速度(相對(duì)速度) uA-u uB-u或uAum、uBum 以擴(kuò)散速度表示的質(zhì)量通量絕對(duì)速度=主體速度+擴(kuò)散速度第第2 2節(jié)節(jié) 物質(zhì)傳遞的基本方式物質(zhì)傳遞

4、的基本方式傳質(zhì)現(xiàn)象傳質(zhì)現(xiàn)象第第2 2節(jié)節(jié) 物質(zhì)傳遞的基本方式物質(zhì)傳遞的基本方式有關(guān)物質(zhì)傳遞方式的認(rèn)識(shí)（有關(guān)物質(zhì)傳遞方式的認(rèn)識(shí)（1 1）(1)(1)物質(zhì)傳遞的驅(qū)動(dòng)力？物質(zhì)傳遞的驅(qū)動(dòng)力？高濃度向低濃度傳遞！高濃度向低濃度傳遞！ 分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散 由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而形成的物質(zhì)傳由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。遞現(xiàn)象。分子熱運(yùn)動(dòng)！分子熱運(yùn)動(dòng)！(2)(2)物質(zhì)傳遞的方向？物質(zhì)傳遞的方向？實(shí)例分析：酒精揮發(fā)實(shí)例分析：酒精揮發(fā)移開(kāi)移開(kāi)瓶子外部空間，酒精濃度瓶子外部空間，酒精濃度0 0問(wèn)題問(wèn)題1 1：驅(qū)動(dòng)力？：驅(qū)動(dòng)力？問(wèn)題問(wèn)題2 2：驅(qū)動(dòng)方向？：驅(qū)動(dòng)方向？瓶子內(nèi)部空間，酒精濃度瓶子內(nèi)部空間，

5、酒精濃度 A有關(guān)物質(zhì)傳遞方式的認(rèn)識(shí)（有關(guān)物質(zhì)傳遞方式的認(rèn)識(shí)（2 2）煙草味煙草味煙草味煙草味煙草味煙草味空氣運(yùn)動(dòng)空氣運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)傳遞方向？傳遞方向？由流體運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象。由流體運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象。對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力？驅(qū)動(dòng)力？流體流動(dòng)的方向流體流動(dòng)的方向?qū)嵗治觯壕凭诳臻g內(nèi)的對(duì)流擴(kuò)散實(shí)例分析：酒精在空間內(nèi)的對(duì)流擴(kuò)散酒精酒精酒精酒精分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散酒精酒精 空氣流動(dòng)空氣流動(dòng)傳遞方向？傳遞方向？驅(qū)動(dòng)力？驅(qū)動(dòng)力？對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散相同之處？相同之處？不同之處？不同之處？物質(zhì)傳遞物質(zhì)傳遞驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力分子運(yùn)動(dòng)分子運(yùn)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)方

6、向高濃度向低濃度高濃度向低濃度流體運(yùn)動(dòng)方向流體運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)物質(zhì)傳遞方式的認(rèn)識(shí)（有關(guān)物質(zhì)傳遞方式的認(rèn)識(shí)（3 3）在實(shí)際情況中，這兩種方式能否單獨(dú)存在？在實(shí)際情況中，這兩種方式能否單獨(dú)存在？不能！不能！對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)傳遞驅(qū)動(dòng)力？傳遞驅(qū)動(dòng)力？ 流體流過(guò)固體（或液體）表面時(shí)，分子擴(kuò)流體流過(guò)固體（或液體）表面時(shí)，分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散同時(shí)存在的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。散和對(duì)流擴(kuò)散同時(shí)存在的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。流體與固體（或液體）接觸的傳質(zhì)表面流體與固體（或液體）接觸的傳質(zhì)表面 研究對(duì)象？研究對(duì)象？分子熱運(yùn)動(dòng)和流體運(yùn)動(dòng)綜合作用分子熱運(yùn)動(dòng)和流體運(yùn)動(dòng)綜合作用對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱實(shí)例分析：酒精的對(duì)流傳質(zhì)實(shí)例分析：酒精的對(duì)流傳質(zhì)酒精酒

7、精酒精酒精分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散酒精酒精 對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散？對(duì)流擴(kuò)散？分子擴(kuò)散？分子擴(kuò)散？問(wèn)題：對(duì)流擴(kuò)散與對(duì)流問(wèn)題：對(duì)流擴(kuò)散與對(duì)流傳質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別？傳質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別？如何消除室內(nèi)裝修產(chǎn)生的揮發(fā)性污染物如何消除室內(nèi)裝修產(chǎn)生的揮發(fā)性污染物TVOCTVOC？污染源？污染源？傳遞方式？傳遞方式？案例分析：案例分析：裝修材料裝修材料分子擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散分子擴(kuò)散對(duì)流擴(kuò)散方案分析方案分析污染源：污染源：污染源散發(fā)強(qiáng)度隨時(shí)間關(guān)系污染源散發(fā)強(qiáng)度隨時(shí)間關(guān)系 加快污染源加快污染源表面分子表面分子擴(kuò)散速度擴(kuò)散速度 減少周圍減少周圍空氣污染空氣污染物濃度物濃度？ 加大污染源與加大污染源與周圍空氣污染周圍空氣污染物的濃度差值物

8、的濃度差值污染源升溫，污染源升溫，加速擴(kuò)散（夏加速擴(kuò)散（夏季裝修）季裝修）方案分析方案分析傳遞方式傳遞方式: : 降低室內(nèi)降低室內(nèi)空間污染空間污染物濃度物濃度 加強(qiáng)室內(nèi)加強(qiáng)室內(nèi)與室外對(duì)與室外對(duì)流擴(kuò)散流擴(kuò)散？不同通風(fēng)方式下污染物隨時(shí)間的關(guān)系不同通風(fēng)方式下污染物隨時(shí)間的關(guān)系課堂總結(jié)：課堂總結(jié)：2 2、對(duì)流傳質(zhì)與兩種基本傳質(zhì)方式的關(guān)系。、對(duì)流傳質(zhì)與兩種基本傳質(zhì)方式的關(guān)系。1 1、理解物質(zhì)傳遞的兩種基本方式。、理解物質(zhì)傳遞的兩種基本方式。2022-5-2137導(dǎo)熱基本原理類比導(dǎo)熱基本原理類比1x2x1t2t 當(dāng)物體厚度趨于無(wú)窮小當(dāng)物體厚度趨于無(wú)窮小即通過(guò)一個(gè)面的導(dǎo)熱量即通過(guò)一個(gè)面的導(dǎo)熱量物體導(dǎo)熱量因素

9、：溫差、厚度；物體導(dǎo)熱量因素：溫差、厚度；xtxxttq1212dxdtxtqx0lim2.2擴(kuò)散傳質(zhì)（擴(kuò)散傳質(zhì)（Diffusion Mass Transfer）2.2.1 擴(kuò)散傳質(zhì)的基本概念和斐克定律2.2.1.1 擴(kuò)散傳質(zhì)現(xiàn)象與擴(kuò)散直接相關(guān)的因素(與導(dǎo)熱強(qiáng)度導(dǎo)熱強(qiáng)度類比)（1）擴(kuò)散濃度差濃度差 (正比)（勢(shì)差）（2）擴(kuò)散的距離距離 (反比) （距離）zzzzjA1212定性的基本關(guān)系定性的基本關(guān)系2.2.3 斐克擴(kuò)散定律 (Ficks law of diffusion)zDzzDjA1212當(dāng)擴(kuò)散距離趨于無(wú)窮小當(dāng)擴(kuò)散距離趨于無(wú)窮小即通過(guò)一個(gè)面的擴(kuò)散量即通過(guò)一個(gè)面的擴(kuò)散量定性的基本關(guān)系定性的

10、基本關(guān)系定量的數(shù)學(xué)關(guān)系定量的數(shù)學(xué)關(guān)系與導(dǎo)熱類似與導(dǎo)熱類似dzz ddzdDj2.2.3 斐克擴(kuò)散定律 (Ficks law of diffusion)在濃度場(chǎng)不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散條件下，當(dāng)無(wú)整體流動(dòng)時(shí)，組成二元混合物中組分A和組分B將發(fā)生互擴(kuò)散。其中組分A向組分B的擴(kuò)散通量（質(zhì)量通量j或摩爾通量J，強(qiáng)度強(qiáng)度）與組分 A的濃度梯度成正比 組分 A在組分 B中的擴(kuò)散系數(shù)， ； 組分B在組分A中的擴(kuò)散系數(shù)， 。 組分 A、B的質(zhì)量擴(kuò)散通量， -組分 A、B在擴(kuò)散方向的質(zhì)量濃度梯度濃度梯度， 梯度梯度= =y（最短）距離（最短）距離梯度方向：從低到高梯度方向：從低到高上兩式表示在總質(zhì)量濃度 不變的

11、情況下，由于組分A、B的質(zhì)量濃度梯度 引起的分子傳質(zhì)通量，負(fù)號(hào)負(fù)號(hào)表明擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反，即分子擴(kuò)散朝著濃度降低的方向進(jìn)行。 以摩爾為基準(zhǔn)的斐克定律，則可表達(dá)成以下形式 組分A、B的摩爾擴(kuò)散通量， 組分AB在擴(kuò)散方向的濃度梯度， ； 條件（1）濃度場(chǎng)不發(fā)生變化；（2）穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散；（3）無(wú)整體運(yùn)動(dòng)假定穿過(guò)任一個(gè)垂直面兩邊的量分別為JA，JB ，由條件（1）知任意斷面上的流量恒定，即JA，JB恒定 ；由條件（2）知JA，JB與時(shí)間沒(méi)有關(guān)系 由條件（3）知JA，JB兩者的通量相同，方向相反，才能保證無(wú)整體運(yùn)動(dòng)因此有：JAJB BAABDD因?yàn)闈舛群愣╟onstCCCBA0BAdCdCdC0dz

12、dCdzdCdzdCBAdzdCdzdCBABAJJBAABDD又因?yàn)樗?()(dzdCDdzdCDdzdCDBBABABAAB因此可以統(tǒng)一寫成D斐克定律只適用于由于分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的分只適用于由于分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的分子擴(kuò)散過(guò)程子擴(kuò)散過(guò)程，其傳遞的速度即擴(kuò)散速度uA-u（或uA-um）。實(shí)際上，在分子擴(kuò)散的同時(shí)經(jīng)常伴有流體的主流運(yùn)動(dòng)，如用液體吸收氣體混合物中溶質(zhì)組分的過(guò)程。如圖，氣體中某種氣體被吸收，在液體與氣體界面上形成空隙，后面的氣體會(huì)運(yùn)動(dòng)過(guò)來(lái)填補(bǔ)空隙，而形成氣體的流動(dòng)若在擴(kuò)散的同時(shí)伴有混合物的主體流動(dòng)，則物質(zhì)實(shí)際傳遞的通量除分子擴(kuò)散通量外，還應(yīng)考慮由于主體流動(dòng)而形成的通量。 由

13、通量定義和斐克定律可知通量定義通量定義斐克定律斐克定律因此，得上兩式為斐克定律的普遍表達(dá)形式，由此可得出以下結(jié)論： 組分的實(shí)際傳質(zhì)通量 = 分于擴(kuò)散通量 十 主體流動(dòng)通量 2.2.2氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程 在氣體擴(kuò)散過(guò)程中，分子擴(kuò)散有兩種形式，即雙向擴(kuò)散（反方向擴(kuò)散）和單向擴(kuò)散（一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散）。2.2.2.1等分子反方向擴(kuò)散在系統(tǒng)中取z1和z2兩個(gè)平面，設(shè)組分A、B在平面1處的濃度為 。，z2處的濃度為 ，且 ，系統(tǒng)的總濃度C恒定，而且每種成分的濃度是線性分布。分離變量并積分（穩(wěn)態(tài)？，所以穩(wěn)態(tài)？，所以N NA A是常數(shù)是常數(shù)）氣相可按理想氣體混合物將上述關(guān)系式代人nRTpV RT

14、pVnC2.2.2.2組分A通過(guò)停滯組分B的擴(kuò)散（單向擴(kuò)散） 設(shè)組分A、B兩組分組成的混合物中，組分A為擴(kuò)散組分，組分B為不擴(kuò)散組分（稱為停滯組分），組分A通過(guò)停滯組分B進(jìn)行擴(kuò)散條件：穩(wěn)態(tài)，總壓力不變。組分B為不擴(kuò)散組分，NB0，由此得NA整理后，得到：組分A通過(guò)停滯組分B的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散通量表達(dá)式總濃度C恒定C=const（穩(wěn)態(tài)，所以穩(wěn)態(tài)，所以NA是常數(shù)是常數(shù)）由于擴(kuò)散過(guò)程中總壓力P不變，為組分的對(duì)數(shù)平均分壓，得為組分的對(duì)數(shù)平均分壓，得因?yàn)樗粤?/(2smkmol得到的表達(dá)形式與雙向擴(kuò)散接近得到的表達(dá)形式與雙向擴(kuò)散接近?r?AN2.2.5 擴(kuò)散系數(shù)及其測(cè)量如果有了擴(kuò)散系數(shù)，可以按菲克定律

15、計(jì)算通量。為此需要知道特定情況下的擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)是怎么確定的呢？根據(jù)斐克定律受受物質(zhì)種類、溫度、濃度物質(zhì)種類、溫度、濃度的影響，目前還沒(méi)有通的影響，目前還沒(méi)有通用的理論可以進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，擴(kuò)散系數(shù)的獲得用的理論可以進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，擴(kuò)散系數(shù)的獲得主要依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)量和相關(guān)的半經(jīng)驗(yàn)公式求得。主要依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)量和相關(guān)的半經(jīng)驗(yàn)公式求得。二元混合氣體如果可以當(dāng)作理想氣體（溫度較高、溫度較高、壓力較小時(shí)壓力較小時(shí)）不同溫度下的D可以采用如下修正:D D0 0，是，是 溫度溫度T T0 0=273K=273K時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)由表由表2 22 2查得查得溫度高，分子運(yùn)動(dòng)加快溫度高，分子運(yùn)動(dòng)加快壓力大，分子間距減小壓力大，分子間距減小其