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1、1 2.1 分子传质分子传质 2.2 菲克第一定律菲克第一定律2.3 扩散系数扩散系数 内容内容:分子传质分子传质菲克定律。菲克定律。传质：一组分由高浓度区向低浓度区迁移。传质：一组分由高浓度区向低浓度区迁移。前提：两组分以上、具有浓度差。前提：两组分以上、具有浓度差。第二章第二章 传质基础传质基础 2.1分子传质分子传质1 本质本质：T0K时，分子热运动。时，分子热运动。2 定义定义：在：在静止介质或静止介质或垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体中，垂直于浓度梯度方向作层流运动的流体中，由于浓度梯度而产生的传质，称分子扩散。由于浓度梯度而产生的传质，称分子扩散。3 浓度浓度：C C体积摩尔浓度
2、体积摩尔浓度 单位体积质量单位体积质量 摩尔分数摩尔分数 质量分数质量分数34 平均速度平均速度：根据通过单位面积（与速度方向成垂直的面积）的物质量应等于构成该混合根据通过单位面积（与速度方向成垂直的面积）的物质量应等于构成该混合物的各组分通过该面积的质量和）。物的各组分通过该面积的质量和）。1）质量平均速度）质量平均速度 2）摩尔平均速度）摩尔平均速度 3）扩散速度）扩散速度 某一组分相对于体积平均速度的相对速度某一组分相对于体积平均速度的相对速度 5 通量通量（扩散量或传质量）（扩散量或传质量）定义：在垂直速度方向的单位面积上，单位时间内通过的物质量（浓定义：在垂直速度方向的单位面积上，单
3、位时间内通过的物质量（浓度度速度）速度）4 扩扩散量：散量：1）针对针对相相对对速度速度 质质量通量量通量 单位：单位：摩尔通量摩尔通量 2）相对于静止坐标：）相对于静止坐标：质量通量质量通量 摩尔通量摩尔通量 相对于固定坐标，常用于工程计算。相对于平均速度，常用于描述扩散过程。5 2.2 菲克第一定律菲克第一定律描述：浓度与扩散量之间的关系描述：浓度与扩散量之间的关系假定：假定：T、P恒定，恒定，A组分在组分在z方向仅产生扩散流。方向仅产生扩散流。，z方向。方向。定义：定义：（针对于相对扩散）（针对于相对扩散）（相对于平均速度）（相对于平均速度）A在在z方向上相对于摩尔平均速度的莫尔通量方向
4、上相对于摩尔平均速度的莫尔通量 A在在z方向上相对于质量平均速度的质量通量方向上相对于质量平均速度的质量通量 DAB比例常数，比例常数，A经过组分经过组分B的扩散系数，的扩散系数，因次：长度因次：长度/时间时间6 2 相对于静止坐标相对于静止坐标 菲克定律的另一种表达形式菲克定律的另一种表达形式 上式中，第一部分表示因浓度梯度而产生的扩散流。上式中，第一部分表示因浓度梯度而产生的扩散流。第二部分表示由于流体的非等量扩散所产生的流动而传递的第二部分表示由于流体的非等量扩散所产生的流动而传递的A量，量，。推导：推导：故有，一般化一般化 73 应用应用 1）二元系（）二元系（A、B）证明如下：证明如
5、下：a.（菲克第一定律）（菲克第一定律）两式相等，故两式相等，故 同理同理 两式相加两式相加 故，故，b.而而 故故 82）气体通过金属膜的扩散）气体通过金属膜的扩散 假定假定H2通过金属膜的扩散，符合通过金属膜的扩散，符合Fick第一定律第一定律 把气体把气体金属界面上的浓度金属界面上的浓度 看成是金属与金属看成是金属与金属平衡时的溶解度，故平衡时的溶解度，故 是是 的平衡常数。的平衡常数。当时间足够长，单位时间进入膜的物质通量等当时间足够长，单位时间进入膜的物质通量等于其流出的通量，扩散层内没有物质的积累，形于其流出的通量，扩散层内没有物质的积累，形成稳定态的扩散，扩散层内各处物质的浓度不
6、随成稳定态的扩散，扩散层内各处物质的浓度不随距离和时间变化而变化。距离和时间变化而变化。则910114）影响传质的因素）影响传质的因素 离子活度，温度，电场，磁场，声场（超声波）离子活度，温度，电场，磁场，声场（超声波）5）应用范围）应用范围 等等T、P，无无流流体体流流动动（传传质质方方向向上上），适适用用于于分分子子运运动动平平均自由径小的体系，不适用于微孔。均自由径小的体系，不适用于微孔。122.3扩散系数扩散系数 1 气体扩散系数气体扩散系数 计算、实测、查阅计算、实测、查阅 2 液体扩散系数液体扩散系数 计算、实测、查阅计算、实测、查阅 1）比气体小几个数量级）比气体小几个数量级 2
7、）随浓度变化）随浓度变化 3 固体扩散系数固体扩散系数 1）表面扩散）表面扩散 气体或液体通过多孔介质扩散（例焙烧时控制气氛及介质表面疏松多孔气体或液体通过多孔介质扩散（例焙烧时控制气氛及介质表面疏松多孔(球团矿球团矿)）。）。2）固体组分扩散（发生在合金中的扩散，人为地制造缺陷，用于材料制备）固体组分扩散（发生在合金中的扩散，人为地制造缺陷，用于材料制备）13 原子互换位置（能耗大，原子互换位置（能耗大，因为原子在晶格中是密排的，因为原子在晶格中是密排的，这种迁移引起晶格瞬时畸变）这种迁移引起晶格瞬时畸变）循环机理（几率小，因为循环机理（几率小，因为要求所有参加的原子能量高）要求所有参加的原子能量高）空位扩散（掺杂少量大分空位扩散（掺杂少量大分子使层间距变大）子使层间距变大）14 间隙扩散（储氢合金，如间隙扩散（储氢合金，如金属锂，间隙原子很小）金属锂，间隙原子很小）间隙顶替（间隙原子大小间隙顶替（间隙原子大小相当）相当）排列原理（相当大的外排列原理（相当大的外力作用，如预应力钢筋）力作用，如预应力钢筋）