分子擴散傳質(zhì)節(jié)

分子擴散傳質(zhì)節(jié)第1頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三3.1概述同導熱一樣，分子擴散傳質(zhì)是依靠分子的熱運動來完成的物質(zhì)傳輸過程，在固體、液體、氣體中均可以發(fā)生。冶金中有許多過程有分子擴散傳質(zhì)在起作用如：質(zhì)量傳輸課件

活性點舊相活性點新相的形成及長大舊相

①鐵礦石的還原過程中的未反應核模型第2頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三②渣-鋼界面反應③鋼鐵表面化學熱處理④淬火、退火等過程以上的反應都是發(fā)生在固相內(nèi)或兩相界面上。擴散的動力：濃度差。菲克定律認為分子擴散傳質(zhì)的動力是濃度梯度，但更基本的觀點是化學勢。過程發(fā)生的方向是化學勢降低的方向（吉布斯能減?。?。只要存在濃度差，擴散是必然的，因為熵要增大。但是要注意，分子熱運動與濃度差無關，有無濃度差，分子都有無規(guī)則的熱運動，無濃度差時，熱運動是微觀的，即微觀上看，某個分子原子可能發(fā)生了位移，但是，宏觀上看，各方概率相同，并無物質(zhì)的傳輸。但當有濃度差存在時，情況就不同了，A物質(zhì)濃度大處向濃度低處傳輸通量與A濃度低處向濃度高處傳輸?shù)奈镔|(zhì)通量就不同了，不但微觀上有物質(zhì)傳輸，宏觀上也有物流發(fā)生。質(zhì)量傳輸課件第3頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三定義：由于濃度梯度的存在，物質(zhì)依靠分子熱運動的作用，所產(chǎn)生的質(zhì)量傳輸，稱為分子擴散傳質(zhì)。質(zhì)量傳輸課件3.2菲克第一定律與擴散系數(shù)3.2.1菲克擴散定律1855年由菲克提出一個經(jīng)驗公式：濃度梯度作用下物質(zhì)依靠分子運動的作用產(chǎn)生物質(zhì)傳輸速率（擴散通量）與濃度梯度成正比。數(shù)學表達式為第4頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三注意與傅立葉定律的類似性DA表示組分A在混合物中的分子擴散系數(shù)（簡稱擴散系數(shù)m2/s）對理想氣體PAV=nRT帶入菲克公式，便有氣體中的擴散通量為：質(zhì)量傳輸課件第5頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三(2)影響因素（主要有四個方面質(zhì)量傳輸課件

3.2.2擴散系數(shù)（分子擴散系數(shù)）(1)定義：擴散系數(shù)為物質(zhì)的物理屬性，表示擴散能力的大小。物理意義為：濃度梯度為1時，單位時間內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)量。單位m2/s.①物質(zhì)種類：擴散分子或原子直徑越小，溶質(zhì)與溶劑的結(jié)合力越小，則DA越大。第6頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三質(zhì)量傳輸課件②結(jié)構(gòu)狀態(tài)：主要是溶劑的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因為是擴散，所以溶劑分子間的結(jié)合力越弱越有利于擴散分子（原子）的通過。所以氣體中：液體中：固體中：液體與固體的結(jié)合狀態(tài)相近，故D液與D固有過渡，而氣體與液體的結(jié)合狀態(tài)有突變，故D氣與D液之間有突變。第7頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三熱量傳輸課件④壓力或濃度：擴散系數(shù)不是常數(shù)，不只是指它與物質(zhì)種類物質(zhì)溫度有關，也與濃度（壓力）有關，也就是說，當物種狀態(tài)溫度確定后，D仍不是常數(shù),只是可以近似看作與濃度(壓力)無關而已.在氣體中：③溫度：擴散是分子熱運動的結(jié)果。溫度越高，分子運動動能越大，故溫度越高，D越大．液體和固體中：第8頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三3.3擴散機理與擴散系數(shù)3.3.1固體中的擴散機理（10-14~10-10m2/s）固體中的分子(原子)排列緊密，相互作用強烈，組分遷移比較困難，只有在溫度較高的條件下才可觀察出明顯的擴散現(xiàn)象。對晶體(金屬或非金屬)來說，有四種擴散機理質(zhì)量傳輸課件間隙式擴散環(huán)圈式擴散空位式擴散互換式擴散某些體心立方結(jié)構(gòu)金屬中，三四個原子組成一個環(huán)圈，從而可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)式的換位。這種擴散機理所消耗的能量比兩個原子直接換位時要小的多，這種機理目前還缺乏直接證據(jù)，僅作為一種假設。第9頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三質(zhì)量傳輸課件幾種可能的擴散機理示意圖4間隙式擴散2環(huán)圈式擴散3空位式擴散1互換式擴散第10頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三某些雙組分子系統(tǒng)中固體擴散系數(shù)質(zhì)量傳輸課件間隙元素在鐵族物質(zhì)中的互擴散系數(shù)P366~367第11頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三如前所述，固體中的擴散系數(shù)與溫度的關系符合阿累尼烏斯公式:D0：頻率因子m2/s或叫標準狀態(tài)下的擴散系數(shù)E：擴散活化能J/molR：氣體常數(shù)8.3143J/mol.kT：絕對溫度K服從Arrhenius公式，表示該過程是一個熱激活化過程。質(zhì)量傳輸課件什么叫熱激活化過程假如某擴散過程的能壘為E。受熱后分子熱運動動能增加，某些分子(原子)可以躍過這能壘，從而完成擴散，溫度越高活化分子(原子)就越多。第12頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三3.3.2液體中的擴散機理（10-10~10-9m2/s）液體雖屬于流體，但絕大多數(shù)液體的密度更接近于固體的密度,這說明液體內(nèi)的分子間的相互作用與固體相近。由表13-6~8可知，大多數(shù)液體擴散系數(shù)非常接近，在左右。這表示物種影響不大，主要是物態(tài)和溫度。特別強調(diào)的是液體中的擴散與粘度μB有關。因此，火法冶金過程中，特別重視熔體粘度的作用。質(zhì)量傳輸課件質(zhì)量傳輸課件多數(shù)流體的擴散系數(shù)與固體一樣服Arrhenius公式，表明其擴散也是一個熱激活化過程。第13頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三質(zhì)量傳輸課件液態(tài)金屬中的自擴散系數(shù)液態(tài)二元有色冶金中的互擴散系數(shù)第14頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三3.3.3氣體的擴散機理（10-5~10-4m2/s）氣體中分子總是處于不停頓的熱運動狀態(tài)，而且分子間的相互作用力比固體、液體要小得多，因此其擴散系數(shù)D要大得多。另外與固體相比，各種氣體的D非常接近，物種影響小，而溫度、物態(tài)影響大。還有，從物態(tài)上說，固→液，分子作用力減小，但沒有突變，因此，D相近：而液→氣，分子作用力減小有突變，因此，D的數(shù)量級有躍遷。質(zhì)量傳輸課件第15頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三熱量傳輸課件3.3.4氣體通過多孔介質(zhì)的擴散

冶金中有許多這種擴散實例。如球團礦、燒結(jié)礦、礦石的還原過程，都是氣體通過多孔介質(zhì)擴散的。氣相通過多孔介質(zhì)的擴散機理有兩種不同的分子擴散。(1)普通擴散：多孔介質(zhì)的毛細孔徑遠大于分子平均自由程，一般是時，擴散分子的碰撞主要是分子間的碰撞，與孔壁碰撞的機會少得多，這時孔內(nèi)擴散可按一般擴散定律計算，但其有效擴散系數(shù)要加以修正。

第16頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三(2)紐特遜（Knudsen，也譯克努雷、努森）擴散：時，碰撞多發(fā)生在分子與孔壁之間，其擴散系數(shù)可由下式確定：求得的DKP也要修正，修正后的紐特遜擴散系數(shù)為：質(zhì)量傳輸課件第17頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三質(zhì)量傳輸課件多孔介質(zhì)中的紐特遜擴散和流動①石英玻璃上5次試驗的平均值②在過渡區(qū)域內(nèi)得到的數(shù)據(jù)。第18頁，共19頁，20