傳遞現(xiàn)象導(dǎo)論

第1章傳遞現(xiàn)象導(dǎo)論一、本課程的研究?jī)?nèi)容傳遞現(xiàn)象研究的是在物體內(nèi)部和不同物體之間的動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞規(guī)律（傳遞的機(jī)理和傳遞速率）。1.什么是動(dòng)量傳遞？2.什么是熱量傳遞？3.什么是質(zhì)量傳遞？第一節(jié)課程概述傳遞現(xiàn)象是自然界和工程技術(shù)中普遍存在的現(xiàn)象。對(duì)于任何處于不平衡狀態(tài)的物系，一定會(huì)有某些物理量由高強(qiáng)度區(qū)向低強(qiáng)度區(qū)轉(zhuǎn)移。物理量朝平衡轉(zhuǎn)移的過(guò)程即為傳遞過(guò)程。5/6/20241傳遞過(guò)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(mén)課程，這門(mén)課程通過(guò)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(shì)，使體系的物質(zhì)和能量分布達(dá)到均一化，即自發(fā)地向熵增大的方向變化。由此可見(jiàn)，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(shì)。5/6/20242二、課程的發(fā)展歷程20世紀(jì)20年代以前工藝過(guò)程20年代－60年代單元操作60年代以后傳遞現(xiàn)象5/6/20243三、課程的研究的目的與意義研究目的：了解各類(lèi)傳遞過(guò)程的機(jī)理，尋找提高傳遞過(guò)程的速率提供方法；建立傳遞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，為設(shè)備的改進(jìn)和生產(chǎn)過(guò)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)理和傳遞規(guī)律，不但可以為化工過(guò)程提供數(shù)學(xué)模型，還可以從理論上計(jì)算傳遞過(guò)程的速率。這對(duì)于化工過(guò)程和設(shè)備的開(kāi)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(guò)程發(fā)生的速率角度對(duì)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(lèi)傳遞現(xiàn)象之間的類(lèi)似性和本質(zhì)上的一致性。5/6/20244對(duì)于學(xué)生的個(gè)人來(lái)講，學(xué)好這門(mén)課的意義在于：這門(mén)課程是工科類(lèi)考研專(zhuān)業(yè)課之一；學(xué)好這門(mén)課還是完成本專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案的需要；學(xué)好這門(mén)課有助于爭(zhēng)取更高的獎(jiǎng)學(xué)金；學(xué)好這門(mén)課也是找個(gè)好工作的需要；學(xué)好這門(mén)課可能會(huì)使今后的日常工作得心應(yīng)手。5/6/20245五、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(guò)程原理反應(yīng)工程化工原理化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)課程體系5/6/20246六、本課程的應(yīng)用領(lǐng)域由于傳遞現(xiàn)象無(wú)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(wèn)題實(shí)例本課程可以解簡(jiǎn)單復(fù)雜燒開(kāi)水射程天氣預(yù)報(bào)核爆炸模擬5/6/20247五、本課程的特點(diǎn)與物理和數(shù)學(xué)關(guān)系密切，對(duì)物理和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)要求比較高，尤其是數(shù)學(xué)知識(shí)。理論性強(qiáng)，概念比較抽象，引入的簡(jiǎn)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(lèi)似性強(qiáng)。公式多且公式非常復(fù)雜?？傊痪湓?，這門(mén)課程既有用，又很難！5/6/20248六、本課程的學(xué)習(xí)方法與其它相關(guān)課程結(jié)合起來(lái)學(xué)習(xí)，以收到觸類(lèi)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“三傳”的類(lèi)似性來(lái)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(tīng)講，學(xué)會(huì)做筆記。課下要獨(dú)立完成作業(yè)。5/6/20249七、本課程的研究方法1.理論分析方法確定簡(jiǎn)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)π定理，利用無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)來(lái)描述相關(guān)變量之間的關(guān)系。3.數(shù)值計(jì)算方法4.類(lèi)比法5/6/202410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(lèi)：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5/6/2024112、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5/6/2024122、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)。5/6/202413氫(黃色)與氧(藍(lán)色)，當(dāng)溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)速度增加。氣體導(dǎo)熱5/6/202414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。5/6/202415非導(dǎo)體導(dǎo)熱非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。5/6/2024163、分子質(zhì)量傳遞的機(jī)理是由熱力學(xué)第二定律決定的5/6/202417二、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。uF0xu=0yYdu平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度uF0xu=0yYdy——牛頓粘性定律5/6/202418令τ為單位面積上的內(nèi)摩擦力，即摩擦剪應(yīng)力，單位為Pa，因τ

的方向與推力F的方向相反，因此前面帶“－”號(hào)引入比例系數(shù)μ，上式變?yōu)楸壤禂?shù)μ稱(chēng)為流體的動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度，單位Pa·s實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：5/6/202419τ也稱(chēng)為動(dòng)量通量？通量的定義?τ的單位：為速度梯度，表示垂直于流動(dòng)方向上流體速度的變化率?！埃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，ν稱(chēng)為動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)，也稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)粘度5/6/202420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=10-3Pa·s=1mPa·s物理單位制：St換算關(guān)系：1St=1cm2/s=100cSt=10-4m2/s運(yùn)動(dòng)粘度SI單位制：m2/s動(dòng)力粘度5/6/202421(2)粘度的影響因素①液體粘度隨溫度升高而降低，壓力影響很小。

②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(lái)源各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)，對(duì)于液體則較差。5/6/202422(3)混合物的粘度對(duì)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(shuō)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η

＝17.9×10-6

Pa·s，ν

＝14.8×10-6m2/s

水η

＝1.01×10-3

Pa·s，ν

＝1.01×10-6m2/s甘油η

＝1.499Pa·s，ν

＝1.19×10-3m2/s5/6/202423流體類(lèi)型①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。②非牛頓流體：不符合牛頓粘性定律的流體。

a——表觀粘度，非純物性,是剪應(yīng)力的函數(shù)。5/6/202424Ⅰ假塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而減小。常見(jiàn)的高分子溶液或溶體屬于假塑性流體。

Ⅱ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。Ⅲ賓漢塑性流體：存在一個(gè)屈服應(yīng)力τ0，當(dāng)應(yīng)力低于τ0時(shí)，流體不流動(dòng)；當(dāng)應(yīng)力高于τ0時(shí)，流動(dòng)與牛頓型流體一樣。如紙漿、牙膏、污水泥漿等。Ⅳ觸變性流體：表觀粘度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，如油漆等。Ⅴ震凝性流體：表觀粘度隨時(shí)間的延長(zhǎng)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。非牛頓流體5/6/2024250du/dyτCBADA-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/dyτCBADA-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5/6/2024260tτ0τ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5/6/202427（二）分子熱量傳遞的數(shù)學(xué)描述對(duì)于各向同性的均勻一維導(dǎo)熱，熱量通量可以用下式來(lái)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λ——熱導(dǎo)率，單位——傅立葉導(dǎo)熱定律5/6/202428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。5/6/2024292、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。5/6/2024303、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(guò)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。5/6/202431（三）分子質(zhì)量傳遞的數(shù)學(xué)描述對(duì)于雙組分物系，質(zhì)量通量可以用下式來(lái)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5/6/202432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(duì)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5/6/202433通常氣體的分子擴(kuò)散系數(shù)約為：10-5～10-4m2/s液體中的分子擴(kuò)散系數(shù)約為：10-9～10-10m2/s固體中的分子擴(kuò)散系數(shù)約為：10-10～10-15m2/s5/6/202434三、分子傳遞定律的通用表達(dá)式首先對(duì)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，τ為動(dòng)量通量；ν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）5/6/2024352、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(chēng)為熱量擴(kuò)散系數(shù)q為熱量熱通量5/6/2024363、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—