傳遞現(xiàn)象導(dǎo)論

1、傳遞現(xiàn)象導(dǎo)論1第1頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日 傳遞過程就是研究傳遞現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理及其傳遞規(guī)律的一門課程，這門課程通過研究動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞發(fā)生的速率與傳遞推動(dòng)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(gè)強(qiáng)度性質(zhì)的物理量(速度、溫度和濃度)隨時(shí)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(qiáng)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(gè)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(dá)

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(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。 2022/8/312第2頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日二、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 2022/8/313第3頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)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(jī)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(jìn)和生產(chǎn)過程的控制提供依據(jù)。 研究意義：研究動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的機(jī)理和傳

3、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(jì)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(jì)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(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞現(xiàn)象進(jìn)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。 2022/8/314第4頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日對于學(xué)生的個(gè)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(jiǎng)學(xué)金；學(xué)好這門課也是找個(gè)好工作的需要；學(xué)好這門課可能會(huì)使今后的日常工作得心應(yīng)手。2022/8/315第5頁，共40頁，2

4、022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日五、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(jì)算科學(xué)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)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2022/8/316第6頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日六、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(dòng)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(shí)例本課程可以解簡單復(fù)雜燒開水射程天氣預(yù)報(bào)核爆炸模擬2022/8/317第7頁，共40頁，202

5、2年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日五、本課程的特點(diǎn)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(qiáng)，概念比較抽象，引入的簡化假設(shè)比較多。實(shí)踐性強(qiáng)，與工業(yè)生產(chǎn)和日常生活息息相關(guān)。系統(tǒng)性強(qiáng)，各章節(jié)的內(nèi)容相互聯(lián)系形成了一個(gè)有機(jī)整體。三種傳遞之間的類似性強(qiáng)。公式多且公式非常復(fù)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(diǎn)11分，星期日六、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(diǎn)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“

6、三傳”的類似性來獲得舉一反三的效果。課前要認(rèn)真預(yù)習(xí)。課上要仔細(xì)聽講，學(xué)會(huì)做筆記。課下要獨(dú)立完成作業(yè)。2022/8/319第9頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)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(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)求解2. 實(shí)驗(yàn)研究方法采用因次分析的方法，根據(jù)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(jì)算方法4. 類比法2022/8/3110第10頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日第二節(jié) 傳遞現(xiàn)象的物理機(jī)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

7、機(jī)理1、分子動(dòng)量傳遞的機(jī)理是分子動(dòng)量交換的結(jié)果2022/8/3111第11頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日2、分子熱量傳遞的機(jī)理（1）氣體導(dǎo)熱的機(jī)理（2）液體導(dǎo)熱的機(jī)理（3）固體導(dǎo)熱的機(jī)理A、導(dǎo)體B、非導(dǎo)體2022/8/3112第12頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日2、分子傳熱機(jī)理（1）氣體導(dǎo)熱的機(jī)理： 分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。（3）液體導(dǎo)熱的機(jī)理：很復(fù)雜。（2）固體導(dǎo)熱的機(jī)理A、導(dǎo)體：自由電子運(yùn)動(dòng)。B、非導(dǎo)體：晶格的振動(dòng)。2022/8/3113第13頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日氫(黃色)與氧(藍(lán)色)，

8、當(dāng)溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)速度增加。氣體導(dǎo)熱2022/8/3114第14頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日導(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(yùn)動(dòng)。自由電子的運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)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(diǎn)11分，星期日非導(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(dòng)，即原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。2022/8/3116第16頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日3、分子質(zhì)量傳遞的機(jī)理是由熱力學(xué)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(diǎn)11分，星期日二、分子傳遞的數(shù)學(xué)描述（一）分子動(dòng)量傳遞的數(shù)學(xué)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(yīng)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(diǎn)11分，星期日令為單位面積上的內(nèi)摩擦力，即摩擦剪應(yīng)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(shù)，上式變?yōu)楸壤禂?shù)稱為流體的動(dòng)力粘度，簡稱粘度，單位Pas實(shí)測發(fā)現(xiàn)：2022/8/3119第19頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日也稱為動(dòng)量通量？通量的定義?的單位：為速度梯度，表示垂直于流動(dòng)方

10、向上流體速度的變化率?！啊北硎炯魬?yīng)力的方向與速度的方向相反，或表示動(dòng)量通量的方向與速度梯度的方向相反，即動(dòng)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(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)，也稱為運(yùn)動(dòng)粘度2022/8/3120第20頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日流體的粘度：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(dá)因秒/厘米2 cP(厘泊) 換算關(guān)系： 1cp = 0.01P = 10-3 Pas = 1mPas物理單位制：St換算關(guān)系： 1St = 1cm2/s =

11、100cSt = 10-4m2/s運(yùn)動(dòng)粘度SI單位制： m2/s動(dòng)力粘度2022/8/3121第21頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)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(shù)據(jù)來源 各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實(shí)驗(yàn)測得。在缺少粘度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按理論公式或經(jīng)驗(yàn)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。2022/8/3122第22頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)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(jì)算常壓下氣體混合物的粘度，可用下式計(jì)算說明：不同流體的粘度差別很大。例如： 在壓強(qiáng)為101.325kPa、溫度為20的條件下，空氣、水和甘油的動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(shù)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(yīng)力的函數(shù)。2022/8/3124第24頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)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(gè)屈服應(yīng)力0，當(dāng)應(yīng)力低于0 時(shí)，流體不流動(dòng)；當(dāng)應(yīng)力高于0時(shí)，流動(dòng)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(shí)間的延長而減小，如油漆等。 震凝性流體：表觀粘度隨時(shí)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(diǎn)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(yīng)力與速度梯度的關(guān)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(yīng)力與速度梯度的關(guān)系2022/8/3126第26頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日0t0依時(shí)性流體剪應(yīng)力與應(yīng)力作用時(shí)間的關(guān)系非依時(shí)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(diǎn)11分，星期日（二） 分子熱

15、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，單位熱導(dǎo)率，單位傅立葉導(dǎo)熱定律2022/8/3128第28頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日熱導(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。 2022/8/3129第29頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日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

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(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。2022/8/3130第30頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日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(qiáng)范圍內(nèi)，氣體的熱導(dǎo)率隨壓強(qiáng)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(jì)算中常取熱導(dǎo)率的算術(shù)平均值。2022/8/3131第31頁

17、，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日（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(kuò)散通量，單位DAB 擴(kuò)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(jìn)行的。為質(zhì)量濃度梯度費(fèi)克擴(kuò)散定律2022/8/3132第32頁，共40頁，2022年，5月20日，22點(diǎn)11分，星期日氣體A在氣體B中（或B在A中）的擴(kuò)散系數(shù)，可按馬克斯韋爾吉利蘭（Maxwell-Gilliland）公式進(jìn)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(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算2

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