传递过程概论.PPT
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1、传递现象普遍存在于自然界和工程领域,三种传递过程有许多共同规律。,本章介绍与课程有关的基本概念。 平衡状态:物系内具有强度性质的物理量如温度、组分浓度等不存在梯度 对于任何处于不平衡状态的物系,一定会有某些物理量由高强度区向低强度区转移。 物理量朝向平衡状态转移的过程即为传递过程。,第一章 传递过程概论,质量传递:物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移 能量传递:热量由高温区向低温区的转移 传递过程大多是在流体流动的状态下进行的。 动量、热量和质量传递三者之间具有许多类似之处,不但可以用类似的数学模型描述,而且描述三者的一些物理量之间还存在着某些定量关系。,第一章 传递过程概论,传递过
2、程规律的研究常采用衡算方法,即依据质量守恒、能量守恒(热力学第一定律)和动量守恒(牛顿第二运动定律)原理,在运动的流体中选择一特定的空间范围进行质量、能量和动量衡算,导出有关的衡算方程来解决传递过程规律问题。,第一章 传递过程概论,1.1 传递过程的分类,一、平衡过程与速率过程,二、扩散传递与对流传递,第一章 传递过程概论,大量的物理、化学现象中,同时存在着正反两个方向的变化,如:,固体的溶解和析出,升华与凝华、可逆化学反应,当过程变化达到极限,就构成平衡状态。如化学平衡、相平衡等。此时,正反两个方向变化的速率相等,净速率为零。,不平衡时,两个方向上的速率不等,就会发生某种物理量的转移,使物系
3、趋于平衡。,一、平衡过程与速率过程,热力学:探讨平衡过程的规律,考察给定条件下过程能否自动进行?进行到什么程度?条件变化对过程有何影响等。,动力学:探讨速率过程的规律,化学动力学研究化学变化的速率及浓度、温度、催化剂等因素对化学反应速率的影响;传递动力学研究物理过程变化的速率及有关影响因素。,一、平衡过程与速率过程,物理过程的速率:,1. 动量传递过程物体的质量与速度的乘积被定义为动量,速度可认为是单位质量物体的动量。因此,同一物体,速率不同,其动量也不同。 在流体中,若两个相邻的流体层的速度不同,则将发生由高速层向低速层的动量传递。,u1,u2,动量传递方向,一、平衡过程与速率过程,2. 热
4、量传递过程当物系中各部分之间的温度存在差异时,则发生由高温区向低温区的热量传递。,热流方向,一、平衡过程与速率过程,3. 质量传递过程当物系中的物质存在化学势差异时,则发生由高化学势区向低化学势区域的质量传递。,化学势的差异可以由浓度、温度、压力或电场力所引起。最常见的是浓度差引起的质量传递过程。此时混合物中的某个组分由高浓度向低浓度区扩散传递。,一、平衡过程与速率过程,传递过程的速率可以用通式表示如下:,本课程主要讨论动量、热量与质量传递过程的速率。,一、平衡过程与速率过程,二、扩散传递与对流传递,对流传递由流体的宏观运动引起,扩散传递,分子传递由分子的随机热运动引起,涡流传递由微团的脉动引
5、起,传递,牛顿粘性定律,1.分子传递的基本定律,描述分子动量传递的基本定律,二、扩散传递与对流传递,傅立叶定律,描述分子导热的基本定律,t1 t2 t3,热流方向,二、扩散传递与对流传递,费克定律,描述 2 组元混合物体系中A存在浓度梯度时的分子扩散:,二、扩散传递与对流传递,动量、热量和质量传递过程规律的类似性: 各过程所传递的物理量都是与其相应的强度因素成正比 ,并且都沿着负梯度(降度)的方向传递; 各式中的系数只是状态参数,与传递的物理量及梯度无关。 将黏度、热导率和分子扩散系数均视为表达传递性质的物性常数。 分子传递的线性现象定律,二、扩散传递与对流传递,2.涡流传递,以上分子动量、热
6、量与质量传递的类似性,仅发生在作层流流动的流体内部(动量传递),或固体中(热量或质量传递)。,当流体作湍流运动时,除分子传递之外,还有涡流传递由于流体质点脉动引起的传递。,二、扩散传递与对流传递,涡流传递分子传递,涡流动量、热量与质量传递可表示为:,二、扩散传递与对流传递,3.对流传递的概念,由于流体作宏观运动引起的动量、热量与质量的迁移过程,该过程仅发生在流体运动时:,动量的对流传递速率: ux ux A,ux,t,热量的对流传递速率: cptuxA,A,二、扩散传递与对流传递,第一章 传递过程概论,1.1 传递过程的分类,1.2 动量、热量与质量传递的类似性,一、分子传递的通用表达式,二、
7、分子传递的类似性,三、涡流传递的类似性,1. 分子动量通量,对牛顿粘性定律作量纲分析,设密度为常数:,一、分子传递的通用表达式,量纲分析,一、分子传递的通用表达式,动量传递机理:,层流分子动量传递,两层流体速度不同,具有不同的动量浓度。在动量梯度的作用下,动量将自发地由高动量区向低动量区转移。 微观上,速度较高的流层中的分子以随机运动方式进入速度较慢的流层中;低速流层中亦有等量随机运动的分子进入高速流层,实现动量交换。,一、分子传递的通用表达式,量纲分析结果, 动量通量 动量浓度梯度 动量扩散系数,动量通量=动量扩散系数动量浓度梯度,一、分子传递的通用表达式,2. 分子热量通量,傅立叶定律的量
8、纲分析:,一、分子传递的通用表达式,量纲分析,一、分子传递的通用表达式,q/A 热量通量 热量浓度梯度 热量扩散系数,量纲分析结果,热量通量=热量扩散系数热量浓度梯度,一、分子传递的通用表达式,3. 分子质量通量,费克定律的量纲分析:,一、分子传递的通用表达式,量纲分析结果,jA 质量通量 质量浓度梯度 质量扩散系数,质量通量=质量扩散系数质量浓度梯度,一、分子传递的通用表达式,质量通量=质量扩散系数质量浓度梯度,热量通量=热量扩散系数热量浓度梯度,动量通量=动量扩散系数动量浓度梯度,通量=扩散系数浓度梯度,的量纲相同,扩散系数m2/s,“”表示通量的方向与梯度的方向相反。,二、分子传递的类似
9、性,通量=扩散系数浓度梯度,二、分子传递的类似性,上式称为现象方程(Phenomenological equation) 动量、热量和质量浓度梯度分别表示该量传递的推动力。 现象方程中有负号时,表示传递方向与坐标轴方向相同,而梯度方向与坐标轴方向相反。 例1-1,三、涡流传递的类似性,分子传递基本定律或现象方程是用于描述分子无规则运动所产生的传递过程的,在固体中、静止或层流流动的流体内才会产生这种传递过程。 在湍流流体中,由于存在着大大小小的旋涡运动,除分子传递外还有涡流传递存在。 旋涡的运动和交换会引起流体微团的混合,从而可使动量、热量和能量的传递过程大大加剧。,三、涡流传递的类似性,涡流传
10、递分子传递,涡流动量、热量与质量传递:,涡流传递通量=-涡流扩散系数涡流浓度梯度,第一章 传递过程概论,1.1 传递过程的分类,1.3 传递过程的研究方法,1.2 动量、热量与质量传递的类似性,一、守恒定律与衡算方法,二、系统与控制体,三、拉格朗日观点和欧拉观点,四、几个常用算子,一、守恒定律与衡算方法,对于任一过程或物理现象,进行动量、热量与质量传递研究,都离不开自然界普遍适用的守恒定律:,动量守恒定律牛顿第二定律、热量守恒定律热力学第一定律以及质量守恒定律。,对所选过程或物理现象,划定一个确定的衡算范围,将动量、热量与质量守恒定律应用于该范围,进行物理量的衡算。 在设备尺度、流体微团尺度和
11、分子尺度3种不同范围进行分析研究。,(a),(b),(c),对流体流动体系的衡算,一、守恒定律与衡算方法,(1)宏观水平上描述,以图所示的虚线作衡算范围进行总衡算(设备尺度):,质量衡算,输入的质量流率-输出的质量流率 =累积的质量流率,能量衡算,输入的热量速率-流出的热量速率+加入的热速率-系统对外作功速率=累积的热速率,一、守恒定律与衡算方法,动量衡算,输入的动量速率-流出的动量速率+作用在体系上的合外力=累积的动量速率,一、守恒定律与衡算方法,总衡算的局限性:,总衡算或宏观衡算是针对某设备或其代表性部分,依据守恒原理进行传递规律的研究。 总衡算只能考察系统的流入、流出以及内部的平均变化情
12、况,系统内部物理量如温度、压力、密度、速度等的变化规律无法得知。,总衡算的方法在化工设计计算中常用物料衡算与热量衡算等。,一、守恒定律与衡算方法,(2)微观水平上描述(流体微团尺度),微观衡算(微分衡算)在研究对象内部选择一个有代表性的微分点,将守恒定律应用于该点。通过衡算,得出一组描述动量、热量与质量变化的微分方程,成为变化方程(Equation of change)。 然后通过积分,获得系统内部的速度、温度及浓度的变化规律。这些变化规律对于传递速率的求解必不可少。 连续方程、能量方程、运动方程、对流扩散方程(变化方程);本构方程,一、守恒定律与衡算方法,(3)分子水平上描述,根据分子结构、
13、分子间的相互作用,作分子水平上的考察,对于动量、热量与质量传递的理解是有帮助的。如各种传递系数(黏度、扩散性、导热性等)可以应用流体的分子运动理论求解。,一、守恒定律与衡算方法,总衡算的方法在其他课程已学过。本课程主要讨论微分衡算的方法,通过建立描述各种过程的数学模型,研究动量、热量与质量传递的速率。 总质量衡算 例1-2,1-3 总能量衡算 对外界做功速率、内能、动能、位能 例1-5,一、守恒定律与衡算方法,一、守恒定律与衡算方法,一、守恒定律与衡算方法,一、守恒定律与衡算方法,微分衡算 例1-6,1-7,一、守恒定律与衡算方法,二、系统与控制体,根据所考察的对象不同,选用衡算范围的方法有两
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