1、动量传输起因，以及对热量、质量传输的影响：（1）流体内部不同部位的质点或集团的流动速度不一致。（2）流动速度的不一致，必然导致动量分布不均匀。属于不平衡态，必然发生动量的交换或传递过程。（3）这样的动量传递，就会影响到热量和质量的传输过程。一、流体力学：流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。二、流体力学研究的对象液体和气体。（ 1）流体概念：能够流动的物体（一般指气体或液体）流体概念：能够流动的物体（一般指气体或液体） 。是一种质点间联系很小，质点在空间的。是一种质点间联系很小，质点在空间的相互位置很容易改变（即变形或流动）的物体。相互位置很容易改变（即变形或流动
2、）的物体。（ 2）流体包括：液体和气体；另外带有固相颗粒、液相颗粒的气体；含有固相颗粒、液相颗粒、）流体包括：液体和气体；另外带有固相颗粒、液相颗粒的气体；含有固相颗粒、液相颗粒、微小气泡的液体（如悬浊液、乳浊液等）微小气泡的液体（如悬浊液、乳浊液等） 。（ 3）流体的力学性质（与固体比较）：）流体的力学性质（与固体比较）：（ A）不能传递拉力，）不能传递拉力，（ B）可承受压力，能够传递压力和切力，并且在压力和切力下出现流动。）可承受压力，能够传递压力和切力，并且在压力和切力下出现流动。 （流动可持续）（流动可持续）（ C）流体流动时，流速不同的相邻质点间出现位移，导致产生内摩擦力。静止流体
3、没有内）流体流动时，流速不同的相邻质点间出现位移，导致产生内摩擦力。静止流体没有内摩擦力。摩擦力。（4）气体和液体的区别：微观上的区别：（ A）分子间距不同）分子间距不同气体分子间距离大约是分子直径的气体分子间距离大约是分子直径的 10 倍，除相互碰撞或与器壁碰撞外，气体分子不倍，除相互碰撞或与器壁碰撞外，气体分子不受力的作用，在空间自由移动。液体分子间距比较小。受力的作用，在空间自由移动。液体分子间距比较小。（ B）运动自由程不同）运动自由程不同运动自由程运动自由程 是指流体（包括：气体、液体、等离子体是指流体（包括：气体、液体、等离子体 ）的粒子在与其它粒子相）的粒子在与其它粒子相继两次碰
4、撞之间的平均行程。运动自由程是流体运动的微观现象尺度，继两次碰撞之间的平均行程。运动自由程是流体运动的微观现象尺度，动量、能量、质量的传递、耗散和输运本质上都是分子运动的结果。动量、能量、质量的传递、耗散和输运本质上都是分子运动的结果。 宏观上的区别：液体有一定体积，有自由表面，气体充满容器，无自由表面。气体可压缩性较大。液体有一定体积，有自由表面，气体充满容器，无自由表面。气体可压缩性较大。理想流体理想流体不考虑粘性的流体。不考虑粘性的流体。（ 1）流体的压缩性：）流体的压缩性：指流体四周受压时，其体积变小的特性。指流体四周受压时，其体积变小的特性。（ 2）流体的热胀性）流体的热胀性 ：是指
5、流体在其本身温度提高时，其体积增大的特性。是指流体在其本身温度提高时，其体积增大的特性。流体的粘性流体的粘性VxF0xV=0yYdVxdy平板间的流体速度分布与粘性力（切应力）示意牛顿粘性定律过程描述： 两无限大平行板间距很小，两板间有流体。下板静止，上板在 X 方向以速度 Vx 移动。 由粘性力引起的上、下板间流体的质点只产生 x 方向运动。流体各个平行层运动速度在 y 方向上有速度梯度: dVx/dy 。 流层两面上切向粘性力（切应力）可以表示为： 是动力粘度系数：流层间出现相对流速时的内摩擦特性。各物理量关系构成牛顿粘性定律 （Newton, 1686)牛顿粘性定律总结（ 1）流体产生阻
6、力损失的根本原因）流体产生阻力损失的根本原因 ：流动着的流体内部有一种抗拒内在向前流动的特性，称为：流动着的流体内部有一种抗拒内在向前流动的特性，称为粘性。由于粘性的作用使得流体内部相邻两流体层间产生作用力粘性。由于粘性的作用使得流体内部相邻两流体层间产生作用力 内摩擦力，它是产生阻力损内摩擦力，它是产生阻力损失的根本原因。失的根本原因。（ 2）牛顿型与非牛顿型流体：剪应力与速度梯度关系完全符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流）牛顿型与非牛顿型流体：剪应力与速度梯度关系完全符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，所有气体和多数液体都属于这一类。凡不遵循牛顿粘性定律的流体，统称为非牛顿型流体。体，所
7、有气体和多数液体都属于这一类。凡不遵循牛顿粘性定律的流体，统称为非牛顿型流体。（ 3） 温度压力对粘度的影响：温度压力对粘度的影响：压力对流体粘度影响很小，通常可忽略不计。压力对流体粘度影响很小，通常可忽略不计。气体：当温度气体：当温度 t 升高时，粘度增大，是气体分子运动加剧所致。升高时，粘度增大，是气体分子运动加剧所致。液体：当温度液体：当温度 t 升高时，粘度降低，是液体间分子间作用力减小所致。升高时，粘度降低，是液体间分子间作用力减小所致。（ 4）牛顿粘性定律说明）牛顿粘性定律说明 :流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与
8、法向速度梯度成正比，与压力无关。流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。压力无关。流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。 流体出现粘性的原因分析：流体出现粘性的原因分析：（1）分子间内聚力（引力）所引起。（2）流体分子的垂直流动方向热运动（出现动量交换）所引 起。（3）液态流体出现粘性以分子间内聚力为主，而且液体粘度 随温度升高而减小。因为温度升高导致分子间距增大，分子间引力减小。（4）气态流体出现粘性以 “垂直流动方向热运动” 为主，且气体粘度随温度升高而增大。因为温度升高导致分子热运 动增强。流体粘度与压力的关系：流体粘度与压力的关系：气体：压力对粘度影响不大，可以不计。气体：压力对
9、粘度影响不大，可以不计。液体：压力变化较小（液体：压力变化较小（ 时，属于镜面反射。时，属于镜面反射。（ 5）气体的辐射和吸收在整个容器中进行，气体对辐射能几乎没有反射能力（吸收一部分，穿透）气体的辐射和吸收在整个容器中进行，气体对辐射能几乎没有反射能力（吸收一部分，穿透一部分）一部分） 。一、普朗克定律一、普朗克定律 （ Plangck, 1900）普郎克定律表明：黑体辐射能按照波长的分布规律。或者说黑体单色辐射力 Eb 随波长和温度而变化的函数。实际物体的辐射特性(1). 实际物体的辐射与绝对黑体不同。(2). 黑体的单色辐射力 Eb 随波长连续光滑地变化。而实际物体的单色辐射力 E 随波
10、长和温度发生不规则变化。 实际 E 黑体 Eb(3). 灰体单色辐射力与同温度、同波长下的黑体单色辐射力之比为定值 （灰体单色黑度） 。灰体：某种物体的辐射光谱是连续的，并且在任何温度下所有各波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数，那么这种物体就叫做理想灰体，或简称灰体。灰体的单色吸收率 const1 (10-22)灰体间辐射换热灰体间辐射换热 (1) 辐射到灰体表面的辐射能辐射到灰体表面的辐射能 不能被全部吸收。有部分辐射能被反射出去。不能被全部吸收。有部分辐射能被反射出去。(2) 灰体的吸收和辐射能力不如黑体。灰体表面间辐射换热是多次吸收和反射的过程。辐射换热灰
11、体的吸收和辐射能力不如黑体。灰体表面间辐射换热是多次吸收和反射的过程。辐射换热过程比黑体系统复杂。过程比黑体系统复杂。1、质量传输概念：质量传输是指物质从体系的某一部分迁移到另一部分的现象，简称传质。、质量传输概念：质量传输是指物质从体系的某一部分迁移到另一部分的现象，简称传质。2、为什么要研究质量传输？、为什么要研究质量传输？在材料加工、化工、冶金、低温工程、空间技术等领域，质量传输是很重要的过程。在材料加工、化工、冶金、低温工程、空间技术等领域，质量传输是很重要的过程。许多材料的加工工艺的单元操作，例如加热、溶解、焊接、表面热处理等，都要涉及到许多材料的加工工艺的单元操作，例如加热、溶解、
12、焊接、表面热处理等，都要涉及到质量传输过程。质量传输过程。 3、传质现象出现的原因：原因有很多，如浓度梯度、温度梯度、压力梯度都会导致质量传输过、传质现象出现的原因：原因有很多，如浓度梯度、温度梯度、压力梯度都会导致质量传输过程。本质上讲，质量传输是由体系中的化学势差引起的。当然流体的宏观流动也会将物质从一处程。本质上讲，质量传输是由体系中的化学势差引起的。当然流体的宏观流动也会将物质从一处迁移到另一处。迁移到另一处。4、质量传输主要研究什么？、质量传输主要研究什么？质量传输主要研究物质分子、原子等微观粒子的迁移，而不是物质的宏观移动。着眼质量传输主要研究物质分子、原子等微观粒子的迁移，而不是
13、物质的宏观移动。着眼点是浓度场的变化。点是浓度场的变化。 5、化学势、化学势差、化学势、化学势差化学势在处理相变和化学变化的问题时具有重要意义。化学势在处理相变和化学变化的问题时具有重要意义。（ 1）温度差是热量传递之势，）温度差是热量传递之势，（ 2）力差是功量交换之势，）力差是功量交换之势，（ 3）化学势差是促使质量转变之势。相变是物质由一种相转变到另一相的质量转变过程。）化学势差是促使质量转变之势。相变是物质由一种相转变到另一相的质量转变过程。（ 4）在相变过程中，由于物质在不同组元间的转移是在恒温和恒压下进行的，故可以通过比较两）在相变过程中，由于物质在不同组元间的转移是在恒温和恒压下
14、进行的，故可以通过比较两相中物质化学势的大小来判断物质在各组元间转移的方向和限度，即物质总是从化学势较高的相相中物质化学势的大小来判断物质在各组元间转移的方向和限度，即物质总是从化学势较高的相转移到化学势较低的相。当物质在两相中的化学势相等时，则相变过程停止，系统达到平衡态转移到化学势较低的相。当物质在两相中的化学势相等时，则相变过程停止，系统达到平衡态 6、质量传输研究方法、质量传输研究方法研究质量传输的方法与研究热量传输的方法相似。如果系统当中组分浓度比较低，质量交换率比较小，传质现象的数学描述与传热现象是类似的。如果定解条件也类似，从传热中得到的许多结果可以通过类比直接应用于传质。当然，
15、如果以上条件不满足，传热与传质过程就会有明显差别，类比关系就不再适用。分子、原子在空间的迁移形式分为分子、原子在空间的迁移形式分为 3 种：种：（ 1）扩散传质）扩散传质 由体系中浓度差（化学势差）引起的质量传输。由体系中浓度差（化学势差）引起的质量传输。 （传导传质）（传导传质）（ 2）对流传质）对流传质 由流体宏观运动引起。由流体宏观运动引起。（ 3）相间传质）相间传质 通过不同的相界面进行。通过不同的相界面进行。菲克第一定律菲克第一定律从热力学的观点看，化学势是扩散传质的驱动力，这时菲克第一定律应为：从热力学的观点看，化学势是扩散传质的驱动力，这时菲克第一定律应为：菲克第一定律是一个描述
16、表观现象的宏观经验式，并不反映扩散传质过程的微观特征。菲克第一定律是一个描述表观现象的宏观经验式，并不反映扩散传质过程的微观特征。不同的物质扩散在机理上的差别体现在扩散系数中。不同的物质扩散在机理上的差别体现在扩散系数中。菲克第二定律菲克第二定律 1、菲克第一定律仅仅说明了扩散通量与浓度梯度成正比例关系。2、如果传质过程引起了体系内部浓度梯度随时间而变化，这样问题转变为浓度场不仅仅是空间坐标的函数，还是时间的函数: Ci = f (x, y, z, t) 。这种状态下的扩散传质叫做：“非稳态扩散传质” 。3、非稳态扩散传质的基本方程（菲克第二定律）：固体中的扩散和扩散系数固体中的扩散和扩散系数
17、 1. 扩散机理（对金属、非金属晶体）扩散机理（对金属、非金属晶体）空位扩散空位扩散 间隙扩散间隙扩散 环圈扩散环圈扩散 2. 固体扩散系数固体扩散系数自扩散系数自扩散系数 均质材料（无浓度梯度）时的扩散系数。均质材料（无浓度梯度）时的扩散系数。本征扩散系数本征扩散系数 以自身浓度梯度为动力的扩散系数。以自身浓度梯度为动力的扩散系数。互扩散系数互扩散系数 各组分相互影响下的扩散系数。各组分相互影响下的扩散系数。扩散传质扩散传质 一、扩散传质是由体系中浓度差（化学势差）引起的质量传输。一、扩散传质是由体系中浓度差（化学势差）引起的质量传输。 （也叫传导传质）（也叫传导传质）稳定扩散概念：传质体系
18、内组分浓度不随时间变化的扩散，称为稳定扩散。稳定扩散概念：传质体系内组分浓度不随时间变化的扩散，称为稳定扩散。对流传质概念：对流传质概念：是指流体流动情况下的质量传输。或者是流动流体中，某组分向是指流体流动情况下的质量传输。或者是流动流体中，某组分向 “与固相或其他流体相与固相或其他流体相的的 ” 相界面上的传质。相界面上的传质。对流传质与扩散传质的不同点：对流传质与扩散传质的不同点：除了有扩散传质过程外，还有流体微团因紊流而发生的物质迁移。除了有扩散传质过程外，还有流体微团因紊流而发生的物质迁移。菲克第一定律引出的扩散系数概念是考虑了某一距离间由于物质浓度差引起的物质迁移问题。菲克第一定律引出的扩散系数概念是考虑了某一距离间由于物质浓度差引起的物质迁移问题。菲克第一定律：扩散通量与其浓度梯度成正比，方向与浓度梯度方向相反菲克第一定律：扩散通量与其浓度梯度成正比，方向与浓度梯度方向相反 “有效界面层有效界面层 ”（即薄膜）的特征如下：（即薄膜）的特征如下： 薄膜流体只能做层流流动，薄膜流体只能做层流流动， 不与浓度均匀的流体主流紊流混合，不与浓度均匀的流体主流紊流混合， 所以在膜内的传质属于扩所以在膜内的传质属于扩散传质。散传质。 2. 薄膜层内浓度分布是稳定的。薄膜层内浓度分布是稳定的。
