《传递现象导论》PPT课件.ppt

2023/7/9,1,第1章 传递现象导论,一、本课程的研究内容,传递现象研究的是在物体内部和不同物体之间的动量传递、热量传递和质量传递规律（传递的机理和传递速率）。,1.什么是动量传递？,2.什么是热量传递？,3.什么是质量传递？,第一节 课程概述,传递现象是自然界和工程技术中普遍存在的现象。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。物理量朝平衡转移的过程即为传递过程。,2023/7/9,2,传递过程就是研究传递现象的发生机理及其传递规律的一门课程，这门课程通过研究动量传递、热量传递和质量传递发生的速率与传递推动力(速度梯度、温度梯度、浓度梯度或化学位梯度)之间的关系探索各种传递现象的内在规律，并由此确定各个强度性质的物理量(速度、温度和浓度)随时间和空间的变化关系。,传递现象发生的原因是物系内部存在温度差、速度差、浓度差，即物系内部存在某种强度性质物理量的不均匀性。这种不均匀性导致了物系处于一种热力学不平衡状态。根据热力学第二定律，任何一个孤立体系都有自发朝平衡状态发生变化的趋势，使体系的物质和能量分布达到均一化，即自发地向熵增大的方向变化。由此可见，传递现象发生的本质原因是受热力学第二定律的支配，体系存在着自发向平衡状态发生变化的趋势。,2023/7/9,3,二、课程的发展历程,20世纪20年代以前,工艺过程,20年代60年代,单元操作,60年代以后,传递现象,2023/7/9,4,三、课程的研究的目的与意义,研究目的：了解各类传递过程的机理，寻找提高传递过程的速率提供方法；建立传递过程的数学模型，为设备的改进和生产过程的控制提供依据。,研究意义：研究动量、热量和质量传递的机理和传递规律，不但可以为化工过程提供数学模型，还可以从理论上计算传递过程的速率。这对于化工过程和设备的开发、设计和优化起着非常重要的作用。另一方面，从过程发生的速率角度对动量、热量和质量传递现象进行综合分析，还可以发现三类传递现象之间的类似性和本质上的一致性。,2023/7/9,5,对于学生的个人来讲，学好这门课的意义在于：,这门课程是工科类考研专业课之一；学好这门课还是完成本专业培养方案的需要；学好这门课有助于争取更高的奖学金；学好这门课也是找个好工作的需要；学好这门课可能会使今后的日常工作得心应手。,2023/7/9,6,五、本课程在化学工程课程体系中的地位和作用,化学反应动力学,传递过程原理,化学工程专业课程体系,2023/7/9,7,六、本课程的应用领域,由于传递现象无处不在，因此本课程不仅在工程领域，而且在日常生活领域也有着广泛的应用。,1.动量传递：在日常生活中；在工业生产中；2.热量传递：在日常生活中；在工业生产中；3.质量传递：在日常生活中；在工业生产中；,决的问题实例本课程可以解,烧开水,射程,天气预报,核爆炸模拟,2023/7/9,8,五、本课程的特点,与物理和数学关系密切，对物理和数学的基础知识要求比较高，尤其是数学知识。理论性强，概念比较抽象，引入的简化假设比较多。实践性强，与工业生产和日常生活息息相关。系统性强，各章节的内容相互联系形成了一个有机整体。三种传递之间的类似性强。公式多且公式非常复杂。,总之一句话，这门课程既有用，又很难！,2023/7/9,9,六、本课程的学习方法,与其它相关课程结合起来学习，以收到触类旁通的效果。把学习的重点放在公式的应用而不是公式的推导上。着重掌握各物理量的基本概念和公式中物理量的含义。注意利用“三传”的类似性来获得举一反三的效果。课前要认真预习。课上要仔细听讲，学会做笔记。课下要独立完成作业。,2023/7/9,10,七、本课程的研究方法,1.理论分析方法,2.实验研究方法,采用因次分析的方法，根据定理，利用无因次准数来描述相关变量之间的关系。,3.数值计算方法,4.类比法,2023/7/9,11,第二节 传递现象的物理机理及其数学描述,传递现象的分类：分子传递和湍流(涡流)传递,1.什么是分子传递？,2.什么是湍流传递？,一、分子传递的机理,1、分子动量传递的机理,是分子动量交换的结果,2023/7/9,12,2、分子热量传递的机理,（1）气体导热的机理,（2）液体导热的机理,（3）固体导热的机理,A、导体B、非导体,2023/7/9,13,2、分子传热机理,（1）气体导热的机理：分子不规则热运动时相互碰撞的结果。,（3）液体导热的机理：很复杂。,（2）固体导热的机理,A、导体：自由电子运动。B、非导体：晶格的振动。,2023/7/9,14,氢(黄色)与氧(蓝色)，当温度升高，分子运动速度增加。,气体导热,2023/7/9,15,导体导热,导电固体有相当多的自由电子在晶格之间像气体分子那样运动。自由电子的运动在导热中起着主要作用。,2023/7/9,16,非导体导热,非导电固体：导热通过晶格结构的振动，即原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现。,2023/7/9,17,3、分子质量传递的机理,是由热力学第二定律决定的,2023/7/9,18,二、分子传递的数学描述,（一）分子动量传递的数学描述,速度梯度：速度沿距离的变化率。,牛顿粘性定律,2023/7/9,19,令,为单位面积上的内摩擦力，即摩擦剪应力，单位为Pa，因 的方向与推力F 的方向相反，因此前面带“”号,引入比例系数，上式变为,比例系数称为流体的动力粘度，简称粘度，单位Pas,实测发现：,2023/7/9,20,也称为动量通量？,通量的定义?,的单位：,为速度梯度，表示垂直于流动方向上流体速度的变化率。,“”表示剪应力的方向与速度的方向相反，或表示动量通量的方向与速度梯度的方向相反，即动量总是沿着速度降低的方向传递的。,其中，称为动量扩散系数，也称为运动粘度,2023/7/9,21,流体的粘度：,粘度是流体的物性常数之一，与流体所处的温度、压力、组成和状态有关。,（1）粘度的单位,SI单位制：Pa s(N s/m2)物理单位制：P(泊),达因秒/厘米2 cP(厘泊)换算关系：1cp=0.01P=10-3 Pas=1mPas,物理单位制：St换算关系：1St=1cm2/s=100cSt=10-4m2/s,运动粘度,SI单位制：m2/s,动力粘度,2023/7/9,22,(2)粘度的影响因素,液体 粘度随温度升高而降低，压力影响很小。,气体 粘度随温度升高而增大，压力影响很小。但在极高压力下，随压力增加有所增加；而在压力极低情况下随压力的降低而降低。,（3）粘度的数据来源 各种流体的粘度数据，主要由实验测得。,在缺少粘度实验数据时，可按理论公式或经验公式估算粘度。对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差。,2023/7/9,23,(3)混合物的粘度对于分子不缔合的液体混合物可用下式计算,常压下气体混合物的粘度，可用下式计算,说明：不同流体的粘度差别很大。例如：在压强为101.325kPa、温度为20的条件下，空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度分别为：,空气 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/s,2023/7/9,24,流体类型,牛顿流体：符合牛顿粘性定律的流体。,气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律的流体。,a表观粘度，非纯物性,是剪应力的函数。,2023/7/9,25,假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。常见的高分子溶液或溶体属于假塑性流体。胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。宾汉塑性流体：存在一个屈服应力0，当应力低于0 时，流体不流动；当应力高于0时，流动与牛顿型流体一样。如纸浆、牙膏、污水泥浆等。触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。震凝性流体：表观粘度随时间的延长而增大，如石膏浆等。VI 粘弹性流体：既有粘性，又有弹性，如高分子熔融体。,非牛顿流体,2023/7/9,26,2023/7/9,27,非依时性流体,震凝性流体,触变性流体,2023/7/9,28,（二）分子热量传递的数学描述,对于各向同性的均匀一维导热，热量通量可以用下式来表示,“”表示热量通量的方向与温度梯度的方向相反，即热量总是沿着温度降低的方向传递的。,为温度梯度,傅立叶导热定律,2023/7/9,29,热导率,1、热导率的定义,在数值上等于单位温度梯度下的热通量，是物质的物理性质之一。一般，金属的热导率最大，非金属固体次之，液体的较小，气体的最小。,2023/7/9,30,2、固体的热导率 纯金属的热导率一般随温度的升高而降低，金属的热导率大都随纯度的增加而增大。非金属的建筑材料或绝热材料的热导率随密度增加而增大，也随温度升高而增大。,3、液体的热导率 在非金属液体中，水的热导率最大。除水和甘油外，绝大多数液体的热导率随温度的升高而略有减小，纯液体的热导率比溶液的热导率大。,2023/7/9,31,3、气体的热导率 气体的热导率很小，不利于导热，但有利于保温。气体的热导率随温度升高而加大。在相当大的压强范围内，气体的热导率随压强变化极小 注意：在传热过程中，物体内不同位置的温度可能不相同，因而热导率也不同，在工程计算中常取热导率的算术平均值。,2023/7/9,32,（三）分子质量传递的数学描述,对于双组分物系，质量通量可以用下式来表示,“”表示质量通量的方向与质量浓度梯度的方向相反，即质量传递总是沿着浓度降低的方向进行的。,为质量浓度梯度,费克扩散定律,2023/7/9,33,气体A在气体B中（或B在A中）的扩散系数，可按马克斯韦尔吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进行估算,物质在液体中的散系数与组分的性质、温度、粘度以及浓度有关。对于很稀的非电解溶液，物质在液体中的扩散系数,扩散系数的计算,2023/7/9,34,通常气体的分子扩散系数约为：10-510-4 m2/s,液体中的分子扩散系数约为：10-910-10 m2/s,固体中的分子扩散系数约为：10-1010-15 m2/s,2023/7/9,35,三、分子传递定律的通用表达式,首先对三种传递的通量表达式进行分析,1、动量通量的表达式,其中，为动量通量；为动量扩散系数,可视为动量浓度梯度,所以，动量通量表达式的物理意义为：,（动量通量）（动量扩散系数）（动量浓度梯度）,2023/7/9,36,2、热量通量的表达式,可视为热量浓度梯度,所以，热量通量表达式的物理意义为：,（热量通量）（热量扩散系数）（热量浓度梯度）,q为热量热通量,2023/7/9,37,3、质量通量的表达式,所以，质量通量表达式的物理意义为：,jA质量通量,DAB 质量扩散系数,为质量浓度梯度,（扩散通量）（扩散系数）（浓度梯度）,由此可见，三种传递的物理量的通量可以用统一的公式来描述，即,（质量通量）（质量扩散系数）（质量浓度梯度）,这种方程也称为现象方程,2023/7/9,38,四、湍流传递（涡流传递）规律,涡流传递是由漩涡的混合作用引起的，由于漩涡的运动方式和分子的无规则运动相似，因此它们可以用相似的定律来描述。,2023/7/9,39,对于兼有分子传递和涡流传递的过程，其通量为二者的叠加，此时通量的表达式为：,动量传递：,热量传递：,质量传递：,2023/7/9,40,五、不同传递现象之间的准数关联,由于“三传”之间有着很强的相似性，因此可以采用某种准数将不同的传递现象关联起来。这种准数即为不同传递线性定律中传递系数之比。,例如，关联动量传递和热量传递的准数为普兰德准数，其定义为,关联动量传递和质量传递的准数为施密特准数，其定义为,关联热量传递和质量传递的准数为路易斯准数，其定义为,