传递现象导论

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1、第第1 1章章 传递现象导论传递现象导论一、本课程的研究内容一、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传递、热量传递和质量传递规律（传递的机理和传递速率）。率）。1. 1. 什么是动量传递？什么是动量传递？2. 2. 什么是热量传递？什么是热量传递？3. 3. 什么是质量传递？什么是质量传递？第一节第一节 课程概述课程概述 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

2、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。低强度区转移。物理量朝平衡转移的过程即为传递过程。 7/28/20241 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之间的关系探索各种传递现象的内在规

3、律，并由此确定各个强度性质的物理量性质的物理量(速度、温度和浓度速度、温度和浓度)随时间和空间的变化关系。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，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，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

4、一化，即自发地向熵增大的方向变化。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，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体系存在着自发向平衡状态发生变化的趋势。 7/28/20242二、课程的发展历程二、课程的发展历程20世纪世纪20年代以前年代以前 工艺过程工艺过程 20年代年代60年代年代单元操作单元操作 60年代以后年代以后传递现象传递现象 7/28/20243三、课程的研究的目的与意义三、课程的研究的目的与意义研究目的：研究目的：1.了解各类传递过程的机理，寻找提

5、高传递过程的速率提供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；方法；2.建立传递过程的数学模型，为设备的改进和生产过程的控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。制提供依据。 研究意义：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、热量要的

6、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。间的类似性和本质上的一致性。 7/28/20244对于学生的个人来讲，学好这门课的意义在于：对于学生的个人来讲，学好这门课的意义在于：1.这门课程是工科类考研专业课之一；这门课程是工科类考研专业课之一；2.学好这门课还是完成本专业培养方案的需要；学好这门课还是完成本专业培养方案的需要；3.学好这门课有助于争取更高的奖学金；学好这门课有助于争取更高的奖学金；4.学好这门课也是找个好工作的需要；学好这门课也是找个好工作的

7、需要；5.学好这门课可能会使今后的日常工作得心应手。学好这门课可能会使今后的日常工作得心应手。7/28/20245五、本课程在化学工程课程体系中的地位和作用五、本课程在化学工程课程体系中的地位和作用7/28/20246六、本课程的应用领域六、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。且在日常生活领域也有着广泛的应用。1. 动量传递：动量传递： 在日常生活中；在日常生活中； 在工业生产中；在工业生产中；2. 热量传递：热量传递： 在日常生活中；在日常生活中； 在工业生产中；在工业生产中；3

8、. 质量传递：质量传递： 在日常生活中；在日常生活中； 在工业生产中；在工业生产中；决决的的问问题题实实例例本本课课程程可可以以解解简单简单复杂复杂烧开水烧开水射程射程天气预报天气预报核爆炸模拟核爆炸模拟7/28/20247五、本课程的特点五、本课程的特点1.与物理和数学关系密切，对物理和数学的基础知识要求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。比较高，尤其是数学知识。2.理论性强，概念比较抽象，引入的简化假设比较多。理论性强，概念比较抽象，引入的简化假设比较多。3.实践性强，与工业生产和日常生活息息相关。实践性强，与工业生产和日常生活息息相关。4.系统性强，各

9、章节的内容相互联系形成了一个有机整体。系统性强，各章节的内容相互联系形成了一个有机整体。5.三种传递之间的类似性强。三种传递之间的类似性强。6.公式多且公式非常复杂。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！总之一句话，这门课程既有用，又很难！7/28/20248六、本课程的学习方法六、本课程的学习方法1.与其它相关课程结合起来学习，以收到触类旁通的效果。与其它相关课程结合起来学习，以收到触类旁通的效果。2.把学习的重点放在公式的应用而不是公式的推导上。把学习的重点放在公式的应用而不是公式的推导上。3.着重掌握各物理量的基本概念和公式中物理量的含义。着重掌握各物理量的基本概念和

10、公式中物理量的含义。4.注意利用注意利用“三传三传”的类似性来获得举一反三的效果。的类似性来获得举一反三的效果。5.课前要认真预习。课前要认真预习。6.课上要仔细听讲，学会做笔记。课上要仔细听讲，学会做笔记。7.课下要课下要独立独立完成作业。完成作业。7/28/20249七、本课程的研究方法七、本课程的研究方法1. 理论分析方法理论分析方法确定简化的物理模型确定简化的物理模型建立数学模型建立数学模型数学求解数学求解2. 实验研究方法实验研究方法采用因次分析的方法，根据采用因次分析的方法，根据定理，利用无因次准数定理，利用无因次准数来描述相关变量之间的关系。来描述相关变量之间的关系。3. 数值计

11、算方法数值计算方法4. 类比法类比法7/28/202410第二节第二节 传递现象的物理机理及其数学描述传递现象的物理机理及其数学描述传递现象的分类：分子传递和湍流传递现象的分类：分子传递和湍流( (涡流涡流) )传递传递1. 1. 什么是分子传递？什么是分子传递？2. 2. 什么是湍流传递？什么是湍流传递？一、分子传递的机理一、分子传递的机理1 1、分子动量传递的机理、分子动量传递的机理是分子动量交换的结果是分子动量交换的结果7/28/2024112 2、分子热量传递的机理、分子热量传递的机理（1 1）气体导热的机理）气体导热的机理（2 2）液体导热的机理）液体导热的机理（3 3）固体导热的机

12、理）固体导热的机理A A、导体、导体B B、非导体、非导体7/28/2024122、分子传热机理、分子传热机理（1）气体导热的机理气体导热的机理： 分子不规则热运动时相互碰撞的结果。分子不规则热运动时相互碰撞的结果。（3）液体导热的机理：）液体导热的机理：很复杂。很复杂。（2）固体导热的机理）固体导热的机理A、导体：导体：自由电子运动自由电子运动。B、非导体：非导体：晶格的振动晶格的振动。7/28/202413氢氢( (黄色黄色) )与氧与氧( (蓝色蓝色) )，当温，当温度升高，分子运动速度增加。度升高，分子运动速度增加。气体导热气体导热7/28/202414导体导热导体导热导电固体有相当多

13、的自由电子在晶格之间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。导热中起着主要作用。7/28/202415非导体导热非导体导热非导电固体：导热通过晶格结构的振动，即非导电固体：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。原子、分子在其平衡位置附近的振动来实现。7/28/2024163 3、分子质量传递的机理、分子质量传递的机理是由热力学第二定律决定的是由热力学第二定律决定的7/28/202417二、分子传递的数学描述二、分子传递的数学描述（一）分子动量传递的数学描述（一）分子动量传递的数学

14、描述速度梯度：速度梯度：速度沿距离的变化率。uF0xu=0yYdu平板间的流体剪应力与速度梯度uF0xu=0yYdy牛顿粘性定律牛顿粘性定律7/28/202418令令为单位面积上的内摩擦力，即摩擦剪应力，单位为为单位面积上的内摩擦力，即摩擦剪应力，单位为Pa，因因 的的方向与推力方向与推力F 的方向相反，因此前面带的方向相反，因此前面带“”号号引入比例系数引入比例系数，上式变为，上式变为比例系数比例系数称为流体的动力粘度，简称粘度，单位称为流体的动力粘度，简称粘度，单位Pas实测发现实测发现：7/28/202419也称为动量通量？也称为动量通量？通量的定义通量的定义? ?的单位：的单位：为速度

15、梯度，表示垂直于流动方向为速度梯度，表示垂直于流动方向上流体速度的变化率。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。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。那么那么如果令如果令其中，其中，称为动量扩散系数，也称为运动粘度称为动量扩散系数，也称为运动粘度7/28/202420流体的粘度：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、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。组成和状态有关。（1

16、）粘度的单位）粘度的单位 SI单位制：单位制： Pa s ( N s /m2) 物理单位制：物理单位制： P(泊泊), 达因达因秒秒/厘米厘米2 cP(厘泊厘泊) 换算关系：换算关系： 1cp = 0.01P = 10-3 Pas = 1mPas物理单位制：物理单位制：St换算关系：换算关系： 1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s运动粘度运动粘度SI单位制：单位制： m2/s动力粘度动力粘度7/28/202421(2) 粘度的影响因素粘度的影响因素 液体液体 粘度随温度升高而降低，压力影响很小。粘度随温度升高而降低，压力影响很小。 气体气体 粘度随温度升高而增大，压

17、力影响很小。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。下随压力的降低而降低。 （3）粘度的数据来源）粘度的数据来源 各种流体的粘度数据，主要由实验测得。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。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。对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差。7/28/202422(3) 混合物的粘度混合物的粘度对于分子不缔合的液体混合

18、物可用下式计算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：说明：不同流体的粘度差别很大。例如： 在压强为在压强为101.325kPa、温度为、温度为20的条件下，空气、水和的条件下，空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度分别为：甘油的动力粘度和运动粘度分别为： 空气空气 17.910-6 Pas， 14.810-6 m2/s 水水 1.0110-3 Pas， 1.0110-6 m2/s甘油甘油 1.499Pas， 1.1910-3 m2/s7/28/202423流体类型流体类型牛顿流体：符合牛顿粘

19、性定律的流体。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。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。非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律的流体。 a a表观粘度，非纯物性表观粘度，非纯物性, , 是剪应力的函数。是剪应力的函数。7/28/202424 假塑性流体：假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。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。常见的高分子溶液或溶体属于假塑性流体。 胀塑性流体：胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。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

20、流体。淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。 宾汉塑性流体：宾汉塑性流体：存在一个屈服应力存在一个屈服应力0 0，当应力低于当应力低于0 0 时，流时，流体不流动；当应力高于体不流动；当应力高于0 0时，流动与牛顿型流体一样。时，流动与牛顿型流体一样。 如纸浆、牙膏、污水泥浆等。如纸浆、牙膏、污水泥浆等。 触变性流体：触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。 震凝性流体：震凝性流体：表观粘度随时间的延长而增大，如石膏浆等。表观粘度随时间的延长而增大，如石膏浆等。VI VI 粘弹性流体：粘弹性流体：既有粘性，又有弹性，如高分子熔融体。既有粘性，又有弹

21、性，如高分子熔融体。非牛顿流体非牛顿流体7/28/2024250du/d yCBADA-牛顿流体；B-假塑性流体；C-宾汉塑性流体；D-胀塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系0du/d yCBADA-牛顿流体；B-假塑性流体；C-宾汉塑性流体；D-胀塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系7/28/2024260t0依时性流体剪应力与应力作用时间的关系非依时性流体非依时性流体震凝性流体震凝性流体触变性流体触变性流体7/28/202427（二）（二） 分子热量传递的数学描述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对于各向同性的均匀一维

22、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，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。即热量总是沿着温度降低的方向传递的。为温度梯度为温度梯度q q 热通量，单位热通量，单位热导率，单位热导率，单位傅立叶导热定律傅立叶导热定律7/28/202428热导率热导率 1、热导率的定义、热导率的定义 在数值上等于单位温度梯度下的热通量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是物质的物理性质之一 。 一一般般，金金属属的的热热导导率率最最大大，非非金金属属固固体体次次之之，液液体体的的较小，气体的最小。较小，气体的最小。

23、 7/28/2024292 2、固体的热导率、固体的热导率 纯金属的热导率一般纯金属的热导率一般随温度的升高而降低随温度的升高而降低，金属的热导率大都随金属的热导率大都随纯度的增加而增大纯度的增加而增大。非非金金属属的的建建筑筑材材料料或或绝绝热热材材料料的的热热导导率率随随密密度度增增加加而而增增大大，也随温度升高而增大也随温度升高而增大。3 3、液体的热导率、液体的热导率 在在非非金金属属液液体体中中，水水的的热热导导率率最最大大。除除水水和和甘甘油油外外，绝绝大大多多数液体的热导率随温度的升高而略有减小，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。纯液体的热导率

24、比溶液的热导率大。7/28/2024303 3、气体的热导率、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。气体的热导率很小，不利于导热，但有利于保温。气体的热导率气体的热导率随温度升高而加大随温度升高而加大 。在相当大的压强范围内，气体的在相当大的压强范围内，气体的热导率随压强变化极小热导率随压强变化极小 注注意意：在在传传热热过过程程中中，物物体体内内不不同同位位置置的的温温度度可可能能不不相相同同，因因而而热热导导率率也也不不同同，在在工工程程计计算算中中常常取取热热导导率率的的算算术术平平均均值值。7/28/202431（三）分子质量传递的数学描述（三）分子质量传递的数学描

25、述对于双组分物系，质量通量可以用下式来表示对于双组分物系，质量通量可以用下式来表示jA扩散通量，单位扩散通量，单位DAB 扩散系数，单位扩散系数，单位“”表示质量通量的方向与质量浓度梯度的方向相反，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。即质量传递总是沿着浓度降低的方向进行的。为质量浓度梯度为质量浓度梯度费克扩散定律费克扩散定律7/28/202432气体气体A在气体在气体B中（或中（或B在在A中）的扩散系数，可按马克斯韦中）的扩散系数，可按马克斯韦尔尔吉利兰（吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进行估算）公式进行估算 物物质质在在液液体体

26、中中的的散散系系数数与与组组分分的的性性质质、温温度度、粘粘度度以以及及浓度有关。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 扩散系数的计算扩散系数的计算7/28/202433通常气体的分子扩散系数约为：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：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：固体中的分子扩散系数约为：10-1010-15 m2/s7/28/202434三、分子传递定律的通用表达式三、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首先对

27、三种传递的通量表达式进行分析1、动量通量的表达式、动量通量的表达式其中，其中，为动量通量；为动量通量； 为动量扩散系数为动量扩散系数可视为动量浓度梯度可视为动量浓度梯度所以，动量通量表达式的物理意义为：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）（动量通量）（动量扩散系数）（动量浓度梯度）（动量浓度梯度）7/28/2024352、热量通量的表达式、热量通量的表达式可视为热量浓度梯度可视为热量浓度梯度所以，热量通量表达式的物理意义为：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）（热量通量）（热量扩散系数）（热量浓度梯度）（热量浓度梯度）其中，其中，称为热量扩散

28、系数称为热量扩散系数q为热量热通量为热量热通量7/28/2024363 3、质量通量的表达式、质量通量的表达式所以，质量通量表达式的物理意义为：所以，质量通量表达式的物理意义为：j jA A质量通量质量通量D DABAB 质量扩散系数质量扩散系数为质量浓度梯度为质量浓度梯度（扩散通量）（扩散系数）（扩散通量）（扩散系数）（浓度梯度）（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）（质量通量）（质量扩散系数）（质量浓度梯度）（质量浓度梯度）这种方程也称为现象方程这种方程也称为现象方程7/2

29、8/202437四、湍流传递（涡流传递）规律四、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。定律来描述。例如，对于涡流动量传递，其通量可以表示为：例如，对于涡流动量传递，其通量可以表示为：其中，其中，为涡流剪应力，或称为雷诺应力，单位为为涡流剪应力，或称为雷诺应力，单位为Pa为涡流粘度，单位为为涡流粘度，单位为q为涡流热量通量，单位为为涡流热量通量，单位为涡流热量传递通量可表示为涡流热量传递通量可表示为H为涡流热

30、扩散系数，单位为为涡流热扩散系数，单位为7/28/202438涡流质量通量可表示为涡流质量通量可表示为其中，其中， 为组分为组分A的涡流质量扩散通量，单位的涡流质量扩散通量，单位为涡流质量扩散系数，单位为涡流质量扩散系数，单位对于兼有分子传递和涡流传递的过程，其通量为二者的叠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：加，此时通量的表达式为：动量传递：动量传递：热量传递：热量传递：质量传递：质量传递：7/28/202439五、不同传递现象之间的准数关联五、不同传递现象之间的准数关联由于由于“三传三传”之间有着很强的相似性，因此可以采用某种准数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。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，其定义为关联热量传递和质量传递的准数为路易斯准数，其定义为7/28/202440个人观点供参考，欢迎讨论