第一章動量、熱量與質量傳遞導論基本概念分子傳遞現象分子傳遞現象的類似性渦流傳遞的類似性總質量、總能量和總動量衡算1.1基本概念平衡過程和速率過程速度和速度分布剪切應力濃度和濃度分布通量傳遞過程的分類平衡過程和速率過程過程進行的方向和所能達到的極限

ThermodynamicEquilibriumStateThermalequilibrium:TemperatureMechanicalequilibriumPhaseequilibriumChemicalequilibriumNon-equilibriumOneormorevariableschangewithtimeDirection:toapproachequilibriumstate平衡過程和速率過程RateProcesses:Rateofheattransfer,temperaturedifferenceRateofmasstransfer,concentrationdifferenceRateofmomentumtransfer,velocitydifferenceRateofreaction,ChemicalReactionEngineeringRate=DrivingForce/Resistance速度和速度分布流動速率，單位時間內流體通過的量，（流率，flowrate）體積流率，Volumeflowrate,V，【m3/s】,指明T，P質量流率，Massflowrate,W,【kg/s】摩爾流率，Moleflowrate,【mol/s】流動速度，單位時間內流體流動的距離，(流速，velocity),【m/s】點速度u速度分布u(r)，點速度的變化規律平均速度，單位時間內流體通過單位流動截面的體積。質量流速，單位時間內流體通過單位流動截面的質量。G，【kg/m2.s】例：流動速率和流動速度在溫度20℃、壓力1atm下，空氣以每小時360m3的速度通過一個直徑0.1m的圓管，計算氣體通過的體積流率、質量流率、平均速度和質量流速。解：剪切應力剪切應力(τ)：切向應力，與流體抵抗流動變形有關，是產生流體流動阻力的重要原因，可以在各個方向上有分量。膠所受的剪切應力：τyx＝F/A[N/m2]，下標y表示受力面垂直于y軸，x表示受力方向平行于x軸。濃度和濃度分布傳質過程的基礎定義：單位體積混合物中某組分i的含量質量濃度，ρi【kg/m3】摩爾濃度，Ci【kmol/m3】分壓Pi

：常用來表示氣體混合物的濃度濃度和濃度分布總質量濃度，單位體積混合物的總質量，即密度總摩爾濃度，單位體積混合物的總摩爾數通量Flux單位時間、通過單位面積傳遞的特征量稱為特征量的通量。熱量通量，q，【J/(m2.s)】質量通量，ji，【kg/(m2.s)】動量通量動量：Mu＝【kg.m/s】動量通量剪切應力即為動量通量傳遞過程分類均相、非均相氣、液、固三相，存在多相的稱為非均相；在一個系統中，可以有多個液相和固相共存，但只有一個氣相；定常、非定常過程物理量不隨時間變化的稱為定常過程；一維、多維1.2分子傳遞現象MolecularHeatTransferMolecularMassTransferMolecularMomentumTransferExamples:MolecularHeatTransfer現象：熱量從金屬棒的高溫區傳向低溫區機理：高溫區的分子與相鄰低溫區的分子相比，具有更高的能量，通過分子碰撞，能量從高溫區向低溫區傳遞；驅動力：溫度差Examples:MolecularMassTransfer現象：PureN2andPureO2

50%N2+50%O2機理：分子擴散驅動力：濃度差注：質量傳遞需要存在至少兩種物質。Examples:MolecularMomentumTransfer層流：分子傳遞湍流：旋渦傳遞或湍流傳遞傳遞的是動量通量驅動力：速度梯度分子傳遞現象的基本定律分子動量傳遞：牛頓粘性定律分子熱量傳遞：傅立葉定律分子質量傳遞：費克定律一、分子動量傳遞庫侖實驗流體具有“粘滯性”；流體對運動的抵抗不同流體具有不同的粘滯性；粘滯性主要取決于流體本身的“內摩擦”特性xydyUx+dUxUx內摩擦產生的原因：流體層之間的分子動量傳遞，流體分子的微觀運動的宏觀表現分子的布朗運動流動方向上的動量在其垂直方向上的傳遞流體層之間的剪切應力內摩擦力粘性粘性流體內摩擦實驗流體對于固體壁面的粘附性(no-slip)緊貼上板固體壁表面的流體：u＝U;緊貼下板固體壁表面的流體：u＝0;流體間的內摩擦作用流體作平行于平板的運動；速度逐層遞減牛頓粘性定律（Newton’sLawofViscosity）相鄰流體層之間的剪切應力，即流體流動時的內摩擦力與該處垂直于流動方向的速度梯度成正比。τyx＝[N/m2]，下標y表示受力面垂直于y軸，x表示受力方向平行于x軸。μ:粘度，流體的物理性質，僅是流體的壓力、溫度和組成的狀態函數。負號表示動量傳遞的方向和速度梯度的方向相反，即動量傳遞是沿著速度梯度降低的方向傳遞。粘度系數（Viscosity）定義：單位：SI：cm/g/s：=泊[P](Poise)1[P]=100[cP](厘泊);1[Pa.s]=1000[cP]

運動粘度SI:[m2/s]cm/g/s：[cm2/s]＝沲[St](Stokes)1St=100cSt(厘沲)=10-4m2／s二、分子熱量傳遞物質微觀粒子的熱運動氣體：分子的自由運動非金屬固體：分子、原子在平衡位置（晶格結構）附近振動金屬固體：自由電子的運動液體：分子的振動＋分子間的碰撞1.傅立葉定律(Fourier’sLaw)Qy—y方向上的導熱速率【J/s】qy—y方向上的導熱通量【J/m2s】A—垂直于熱流方向的面積【m2】λ—導熱系數【W/(mK)】dT/dy—y方向上的溫度梯度【K/m】導熱通量與溫度梯度成正比，與溫度梯度的方向相反（高溫低溫）2.導熱系數(ThermalConductivity)λ=qy/dT/dy，物質的導熱能力，物質結構、溫度、壓力的函數；導熱系數：金屬>非金屬與液體>隔熱材料與氣體；可以從微觀粒子的熱運動得到解釋。三、分子質量傳遞1.格雷姆擴散試驗Graham'sLaw:氣體的擴散速率與氣體密度的平方根成反比液體的擴散慢于氣體，擴散通量與濃度差成正比膠體化學之父2.費克定律(Fick’slaw)JAy－－擴散通量【kmol/(m2.s)】C――混合物的摩爾濃度【kmol/m3】DAB――擴散系數【m2/s】xA――組分A的摩爾分數

――A組分的濃度梯度擴散通量與濃度梯度成正比，負號表明組分A向濃度減小的方向傳遞

3.擴散系數(DiffusionCoefficient)表征物質分子擴散能力的物性常數，溫度、壓力和組成的函數分子傳遞的類似性(SimilarityofMolecularTransfer)物理本質：分子的熱運動數學表達式：牛頓粘性定律傅立葉定律費克定律形式濃度

[J/m3]

ρA[kg/m3]擴散系數ν,【m2/s】a,【m2/s】DAB,【m2/s】1.3SimilarityofMolecularTransfer傳遞通量＝－擴散系數×濃度梯度；擴散系數具有相同的因次，單位均為【m2/s】通量是矢量，其方向與該量梯度的方向相反1.4SimilarityofEddyTransfer傳遞分子傳遞，由于分子的微觀運動引起；渦流傳遞，由于渦流混合造成的流體微團的宏觀運動引起旋渦的運動和交換會引起流體微團的混合，從而可使動量、熱量或質量的傳遞過程大大加劇。渦流傳遞過程為主的情況下，傳遞通量可仿照分子傳遞方程。渦流傳遞的類似性傳遞現象的研究方法分子尺度，分子運動理論方法，統計力學經驗方法，現象方程(Phenomenologicalequation)微團尺度，微團運動連續介質模型（Euler）流體是由相對于分子尺度足夠大，相對于設備尺度充分小的連續一片的微團組成微元衡算對微元體進行物質、能量、動量衡算建立數學模型（微分方程）速度、溫度、濃度分布設備尺度，流體的平均運動總體衡算試驗研究方法，因次分析1.5總質量、總能量和總動量衡算衡算的對象和范圍控制體：進行總體衡算時所選用的固定體積；控制面：包圍此控制體的邊界面，控制面是封閉的，通過控制面可以發生質量、動量、能量的傳遞解決工程生產中設備的物料衡算、能量轉換和消耗以及設備受力情況等有實際意義的問題總體衡算方程：1.5.1總質量衡算(totalmassbalance)簡單控制體的質量衡算流動系統中的某一段管道、一個或多個設備流體的進出口可以有若干個進出口流體的流速方向與控制面垂直分三種情況討論單組分系統多組分系統有化學反應的系統簡單控制體的質量衡算單組分系統[kg/s]多組分系統例題水以150kg/h的流率，食鹽以30kg/h的流率加入一攪拌良好的攪拌槽中，制成溶液后，以120kg/h的流率流出容器，可認為出口溶液的濃度與槽內溶液的濃度相同。在食鹽和水開始加入時，槽內已盛有新鮮水100kg，此后輸入與輸出的流率維持不變。試計算1h后出口溶液的濃度。已知：WA1=30kg/h,WB1=150kg/h,W1=180kg/h,W2=120kg/ht=0時，M0=100kg求：aA2有化學反應的系統各組分的量根據化學反應計量關系相應變化，應用摩爾單位比較方便。有化學反應的系統各個生成物和各個反應物的摩爾速率之間的關系，遵循化學計量關系，為了確定各產物和各反應物摩爾速率之間的關系，可選擇其中一個作為摩爾速率的基準，然后用此基準來表示其它組分的摩爾速率。例題CO和H2在2.026×107Pa和648K下進行反應獲得甲醇。凈進料組成為H2為66％mol，CO為33％mol，Ar為1％mol。在分離器中將全部產物甲醇以純態形式分離出去。過程無副反應。排空的摩爾流率為凈進料摩爾流率的10％。生產過程維持穩定狀態。試計算：(1)甲醇在產物中的摩爾流率與凈進科的摩爾流率之比；(2)循環氣的組成(以摩爾分數表示)。總質量衡算的通用表達式矢量場的通量總質量衡算的通用表達式總質量衡算通用表達式的簡化取SteadyStateIncompressibleFluidAverageVelocity管內流動的連續性方程例題某不可壓縮流體穩定流過