1、傳質(zhì)課件，第3章分子擴(kuò)散和傳質(zhì)第1.3.1節(jié)概述3.2菲克第一定律擴(kuò)散系數(shù)3.2.1菲克第一定律擴(kuò)散系數(shù)3.2.2擴(kuò)散系數(shù)3.3擴(kuò)散機(jī)制和擴(kuò)散系數(shù)3.3.1固體中的擴(kuò)散機(jī)制3.3.2液體中的擴(kuò)散機(jī)制3.3.3氣體中的擴(kuò)散機(jī)制3.3.4氣體通過(guò)多孔介質(zhì)的擴(kuò)散，3.1概述相同在冶金中，有許多過(guò)程中分子擴(kuò)散和傳質(zhì)起作用，如：傳質(zhì)課件，未反應(yīng)的核心模型上述反應(yīng)都發(fā)生在固相或兩相界面。擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)：濃度差異。菲克定律認(rèn)為分子擴(kuò)散和傳質(zhì)的動(dòng)力是濃度梯度，但更基本的觀點(diǎn)是化學(xué)勢(shì)。過(guò)程發(fā)生的方向是化學(xué)勢(shì)降低的方向(吉布斯能量降低)。只要存在集中度差異，擴(kuò)散就不可避免，因?yàn)殪貢?huì)增加。然而，應(yīng)該注意的是，分子熱運(yùn)動(dòng)

2、與濃度差無(wú)關(guān)，無(wú)論有無(wú)濃度差，分子都有規(guī)律的熱運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沒(méi)有濃度差時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)是微觀的，即從微觀的角度來(lái)看，某個(gè)分子原子可能被取代，但從宏觀的角度來(lái)看，各方都有相同的概率，并且沒(méi)有物質(zhì)的傳遞。然而，當(dāng)存在集中度差異時(shí)，情況就不同了。物質(zhì)從高濃度到低濃度的流量不同于從低濃度到高濃度的流量。不僅有微觀層面的物質(zhì)輸送，也有宏觀層面的物質(zhì)流動(dòng)。傳質(zhì)課件，定義：由于濃度梯度的存在，物質(zhì)依靠分子熱運(yùn)動(dòng)的作用，產(chǎn)生傳質(zhì)，這就是所謂的分子擴(kuò)散傳質(zhì)。傳質(zhì)課件，3.2菲克第一定律和擴(kuò)散系數(shù)，3.2.1菲克擴(kuò)散定律。1855年，菲克提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：在濃度梯度的作用下，分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的物質(zhì)轉(zhuǎn)移速率(擴(kuò)散通量)與濃度梯度

3、成正比。數(shù)學(xué)表達(dá)式為，注意與傅立葉定律的相似性，DA代表混合物中組分a的分子擴(kuò)散系數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)擴(kuò)散系數(shù)m2/s)，對(duì)于理想氣體PAV=nRT，引入Fick公式，氣體中的擴(kuò)散通量為：傳質(zhì)課件，(2)影響因素(主要有四個(gè)方面，傳質(zhì)課件，3.2.2擴(kuò)散系數(shù)(分子擴(kuò)散系數(shù))物理意義為：當(dāng)濃度梯度為1時(shí)，物質(zhì)的質(zhì)量在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積。單位平方米/秒，材料類(lèi)型：擴(kuò)散分子或原子的直徑越小，溶質(zhì)和溶劑之間的結(jié)合力越小，擴(kuò)散系數(shù)越大。質(zhì)轉(zhuǎn)移課件，結(jié)構(gòu)狀態(tài)：主要是溶劑的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因?yàn)槭菙U(kuò)散，溶劑分子之間的結(jié)合力越弱，擴(kuò)散分子(原子)通過(guò)就越好。液體和固體的結(jié)合狀態(tài)是相似的，所以D液體和D之間有一個(gè)固有的躍遷，而

4、氣體和液體的結(jié)合狀態(tài)是突變的，所以D氣體和D液體之間有一個(gè)突變。傳熱課件，壓力或濃度：擴(kuò)散系數(shù)不是常數(shù)，不僅意味著它與物質(zhì)的溫度有關(guān)，而且還與濃度(壓力)有關(guān)，也就是說(shuō)，當(dāng)物種狀態(tài)的溫度確定后，d仍然不是常數(shù)，而是可以視為與濃度(壓力)近似無(wú)關(guān)。溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能越大，因此溫度越高，d越大。液體和固體中的擴(kuò)散機(jī)制和擴(kuò)散系數(shù)為3.3.1。固體中的擴(kuò)散機(jī)制(10-1410-10 m2/s)固體中的分子(原子)排列緊密，相互作用強(qiáng)，組分遷移困難。只有在較高的溫度下才能觀察到明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象。對(duì)于晶體(金屬或非金屬)，有四種擴(kuò)散機(jī)制，質(zhì)量轉(zhuǎn)移課件，幾種可能的擴(kuò)散機(jī)制圖，4個(gè)間隙擴(kuò)散，2個(gè)環(huán)擴(kuò)散，3

5、個(gè)空位擴(kuò)散，1個(gè)交換擴(kuò)散，某些雙組分子系統(tǒng)中的固體擴(kuò)散系數(shù)，質(zhì)量轉(zhuǎn)移課件，以及鐵族材料中間隙元素的相互擴(kuò)散系數(shù)，P366367，如上所述。固體中擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系符合Arrhenius公式：D0:頻率因子m2/s或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的擴(kuò)散系數(shù)e:擴(kuò)散活化能J/mol R:氣體常數(shù)8.3143 j/mol k t:絕對(duì)溫度k服從Arrhenius公式，表明該過(guò)程是一個(gè)熱活化過(guò)程。如果擴(kuò)散過(guò)程的能量勢(shì)壘是e，那么什么是熱激活過(guò)程？加熱后，分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能增加，一些分子(原子)可以跳過(guò)這個(gè)能量勢(shì)壘完成擴(kuò)散。溫度越高，分子(原子)越活躍。3.3.2液體中的擴(kuò)散機(jī)制(10-1010-9 m2/s)雖然液體屬于

6、流體，但大多數(shù)液體的密度更接近固體，這表明液體中分子之間的相互作用與固體相似。從表13-68可以看出，大多數(shù)液體的擴(kuò)散系數(shù)非常接近。這意味著物種幾乎沒(méi)有影響，主要是對(duì)物質(zhì)和溫度的狀態(tài)。特別強(qiáng)調(diào)的是，液體中的擴(kuò)散與粘度b有關(guān)。因此，在火法冶金過(guò)程中，要特別注意熔體粘度的影響。傳質(zhì)課件，傳質(zhì)課件，大多數(shù)流體的擴(kuò)散系數(shù)與固體的阿倫尼烏斯公式相同，這說(shuō)明其擴(kuò)散也是一個(gè)熱活化過(guò)程。3.3.3氣體的擴(kuò)散機(jī)制(10-510-4 m2/s)氣體中的分子總是處于不停的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且分子之間的相互作用力遠(yuǎn)小于固體和液體之間的相互作用力，因此其擴(kuò)散系數(shù)d要大得多。此外，與固體相比，各種氣體的密度非常接近，種類(lèi)影響很小，而溫度和物質(zhì)的狀態(tài)影響很大。此外，就物質(zhì)的狀態(tài)而言，固-液和分子力減小，但沒(méi)有突變，所以D是相似的；而液-氣和分子力隨著突變而減少，因此在數(shù)量級(jí)上有一個(gè)跳躍。例如，在球團(tuán)、燒結(jié)礦和礦石的還原過(guò)程中，氣體通過(guò)多孔介質(zhì)擴(kuò)散。氣相多孔介質(zhì)的擴(kuò)散機(jī)制有兩種不同的分子擴(kuò)散。(1)普通擴(kuò)散：多孔介質(zhì)的毛細(xì)孔徑遠(yuǎn)大于分子的平均自由程。一般來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散分子的碰撞主要是分子間碰撞，與孔壁碰撞的幾率要小得多。此時(shí)，孔隙中的擴(kuò)散可以根據(jù)一般擴(kuò)散定律計(jì)算，但其有效擴(kuò)散系數(shù)需要修正。當(dāng)克努森(Knudsen)擴(kuò)散時(shí)：分子和孔壁之間經(jīng)常發(fā)生碰撞，其擴(kuò)散系數(shù)可由下式確定