分子扩散传质-1~3节.ppt
质量传输课件,第三章 分子扩散传质第一三节3.1 概述3.2 菲克第一定律扩散系数 3.2.1 菲克定律 3.2.2 扩散系数3.3扩散机理与扩散系数固体中的扩散机理液体中的扩散机理气体的扩散机理气体通过多孔介质的扩散,3.1 概述 同导热一样，分子扩散传质是依靠分子的热运动来完成的物质传输过程，在固体、液体、气体中均可以发生。冶金中有许多过程有分子扩散传质在起作用如：,质量传输课件,铁矿石的还原过程中的未反应核模型,渣-钢界面反应 钢铁表面化学热处理 淬火、退火等过程,以上的反应都是发生在固相内或两相界面上。扩散的动力：浓度差。菲克定律认为分子扩散传质的动力是浓度梯度，但更基本的观点是化学势。过程发生的方向是化学势降低的方向（吉布斯能减小）。,只要存在浓度差，扩散是必然的，因为熵要增大。但是要注意，分子热运动与浓度差无关，有无浓度差，分子都有无规则的热运动，无浓度差时，热运动是微观的，即微观上看，某个分子原子可能发生了位移，但是，宏观上看，各方概率相同，并无物质的传输。但当有浓度差存在时，情况就不同了，A物质浓度大处向浓度低处传输通量与A浓度低处向浓度高处传输的物质通量就不同了，不但微观上有物质传输，宏观上也有物流发生。,质量传输课件,定义：由于浓度梯度的存在，物质依靠分子热运动的作用，所产生的质量传输，称为分子扩散传质。,质量传输课件,3.2 菲克第一定律与扩散系数,菲克扩散定律,1855年由菲克提出一个经验公式：浓度梯度作用下物质依靠分子运动的作用产生物质传输速率（扩散通量）与浓度梯度成正比。数学表达式为,注意与傅立叶定律的类似性,DA表示组分A在混合物中的分子扩散系数（简称扩散系数 m2/s）,对理想气体 PAV=nRT,带入菲克公式，便有气体中的扩散通量为：,质量传输课件,(2)影响因素（主要有四个方面,质量传输课件,3.2.2 扩散系数（分子扩散系数）,(1)定义：扩散系数为物质的物理属性，表示扩散能力的大小。物理意义为：浓度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的物质量。单位 m2/s.,物质种类：扩散分子或原子直径越小，溶质与溶剂的结合力越小，则DA越大。,质量传输课件,结构状态：主要是溶剂的结构状态。因为是扩散，所以溶剂分子间的结合力越弱越有利于扩散分子（原子）的通过。,液体与固体的结合状态相近，故D液与D固有过渡，而气体与液体的结合状态有突变，故D气与D液之间有突变。,热量传输课件,压力或浓度：扩散系数不是常数，不只是指它与物质种类物质温度有关，也与浓度（压力）有关，也就是说，当物种状态温度确定后，D 仍不是常数,只是可以近似看作与浓度(压力)无关而已.,在气体中：,温度：扩散是分子热运动的结果。温度越高，分子运动动能越大，故温度越高，D越大,液体和固体中：,3.3 扩散机理与扩散系数3.3.1 固体中的扩散机理（10-1410-10 m2/s）固体中的分子(原子)排列紧密，相互作用强烈，组分迁移比较困难，只有在温度较高的条件下才可观察出明显的扩散现象。对晶体(金属或非金属)来说，有四种扩散机理,质量传输课件,质量传输课件,几种可能的扩散机理示意图,4间隙式扩散,2环圈式扩散,3空位式扩散,1互换式扩散,某些双组分子系统中固体扩散系数,质量传输课件,间隙元素在铁族物质中的互扩散系数,P366367,如前所述，固体中的扩散系数与温度的关系符合阿累尼乌斯公式:,D0：频率因子 m2/s或叫标准状态下的扩散系数E：扩散活化能 J/molR：气体常数 8.3143J/mol.kT：绝对温度 K服从Arrhenius公式，表示该过程是一个热激活化过程。,质量传输课件,什么叫热激活化过程,假如某扩散过程的能垒为E。受热后分子热运动动能增加，某些分子(原子)可以跃过这能垒，从而完成扩散，温度越高活化分子(原子)就越多。,3.3.2 液体中的扩散机理（10-1010-9 m2/s）液体虽属于流体，但绝大多数液体的密度更接近于固体的密度,这说明液体内的分子间的相互作用与固体相近。,由表13-68可知，大多数液体扩散系数非常接近，在 左右。这表示物种影响不大，主要是物态和温度。特别强调的是液体中的扩散与粘度B有关。因此，火法冶金过程中，特别重视熔体粘度的作用。,质量传输课件,质量传输课件,多数流体的扩散系数与固体一样服Arrhenius公式，表明其扩散也是一个热激活化过程。,质量传输课件,液态金属中的自扩散系数,液态二元有色冶金中的互扩散系数,3.3.3 气体的扩散机理（10-510-4 m2/s）气体中分子总是处于不停顿的热运动状态，而且分子间的相互作用力比固体、液体要小得多，因此其扩散系数D要大得多。另外与固体相比，各种气体的D非常接近，物种影响小，而温度、物态影响大。还有，从物态上说，固液，分子作用力减小，但没有突变，因此，D相近：而液气，分子作用力减小有突变，因此，D 的数量级有跃迁。,质量传输课件,热量传输课件,3.3.4 气体通过多孔介质的扩散 冶金中有许多这种扩散实例。如球团矿、烧结矿、矿石的还原过程，都是气体通过多孔介质扩散的。,气相通过多孔介质的扩散机理有两种不同的分子扩散。(1)普通扩散：多孔介质的毛细孔径远大于分子平均自由程，一般是 时，扩散分子的碰撞主要是分子间的碰撞，与孔壁碰撞的机会少得多，这时孔内扩散可按一般扩散定律计算，但其有效扩散系数要加以修正。,(2)纽特逊（Knudsen，也译克努雷、努森）扩散：时，碰撞多发生在分子与孔壁之间，其扩散系数可由下式确定：,求得的DKP也要修正，修正后的纽特逊扩散系数为：,质量传输课件,质量传输课件,多孔介质中的纽特逊扩散和流动,石英玻璃上5次试验的平均值,在过渡区域内得到的数据。,若 与 2r 相近，可以用下式计算：,或比较，当 时，说明 起限制性作用，即普通扩散为限制性环节，反之则纽特逊 扩散为限制性环节。,质量传输课件,
