质量传输

第三篇质量传输绪论物质从体系的某一部分迁移到另一部分的现象称为质量传输，简称传质。研究对象：物质的分子、原子的迁移，而不研究物质微团、颗料甚至更大体积物质在空间的移动。研究目标：传质过程中浓度场特征的变化及与此相关的问题，不研究分子、原子的运动形式。金属热态成形过程中的质量传输现象•均一状态相体系中不同空间•不同状态相间的组分浓度或化学位差别•流体的宏观流动将物质从一处迁移到另一处•溶质再分配•扩散退火•渗透•钎焊质量传输常受动量传输和热量传输影响砂型、砂芯加热干燥时，水分子的迁移就受型、芯表面传热，炉气运动因素的影响。研究质量传输问题时，必须掌握热量传输、动量传输的知识，进行综合性的运用。本篇内容包括：质量传输的三种基本形式11.2菲克第一定律11.1质量传输方式、浓度与物质流11.3菲克第二定律11.4固体中的扩散与扩散系数11.5流体和多孔介质中的扩散与扩散系数本章内容包括本次课主要讲授：要求掌握：1、扩散传质、对流传质和相间传质的基本含义；2、几种不同的浓度表示方式；3、菲克第一、第二定律的表达式及语言描述。11.2菲克第一定律11.1质量传输方式、浓度与物质流11.3菲克第二定律11.4影响扩散的因素本章主要介绍传质研究中的基本概念、重要术语和基础定律。物质的分子或原子在空间的迁移形式基本有三种扩散传质对流传质相间传质扩散传质由于体系中某组分存在分布不均的浓度差而引起的质量传输称为扩散传质。在绝对零度以上，物质的分子或原子总处于不规则的热运动状态，此时不仅发生能量交换，物质的分子或原子也可能迁移。当体系中某一组元的浓度分布不均时，由高浓度区迁出的该组元分子或原子数目将比由低浓度区迁进的分子或原子数目多，使两区的浓度差减弱，出现了质量传输。对流传质在流体中，由于流体宏观流动引起物质从一处迁移到另一处的现象称为对流传质。对流传质过程中，既存在流体主运动引起的传质，也会出现流体中某组元浓度场引起的扩散传质。对流传质与流体的流动状态、流体动量传输密切相关，其机理与对流换热相似。相间传质相间传质既有分子或原子的扩散传质，又有流体中的对流传质。相间传质是通过不同相的相界面进行多种传质过程的综合。钢件渗氮热处理时是通过气、固界面进行的在相界面上有时发生集聚状态的变化或化学反应，相界面两边介质的性质和运动状态等都对相间传质有影响。（各种浓度表示法和定义）单位时间内通过单位截面的物质i组分摩尔数称为i组分的摩尔传质通量Ji；单位时间通过单位截面的i组元的质量称为i组元的质量传质通量ji。如图所示，设有一根固溶体合金棒，在沿其长度方向x存在着浓度梯度。经高温加热若干时间后，因溶质原子的迁移而逐渐达到成分均匀。虽然固体金属中单个原子的运动是无规则的，但从大量溶质原子的统计来看显然有更多的原子是自浓度高的一边移向浓度低的另一边扩散，即存在着溶质原子的扩散流。11.2菲克第一定律A.Fick指出：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量(称为扩散通量J)与该截面处的浓度梯度呈正比。这个规律称为菲克第一定律或扩散第一定律。设扩散是沿着x轴方向进行的，即浓度梯度为dC/dx，则菲克第一定律可写成方程式：dxdCDJD——m2/sJ——kg/s.m2用化学位表示的菲克第一定律：求出的是瞬时物质通量，但传质过程会引起体系内浓度梯度随时间发生变化，即出现了浓度场。dxdCDJ浓度场随时间发生变化的扩散传质状态称为不稳定(或非稳态)扩散传质。对于不稳定扩散传质，并且扩散过程无化学反应，可根据质量守恒定律，通过对体系中微元体列出质量平衡式，就可获得浓度场的微分方程，得出菲克第二定律。11.3菲克第二定律为简化问题的研究，这里只讨论在x轴方向上的一维扩散问题。如图所示，单位时间内扩散输入和输出微元体（ΔxΔyΔz）的摩尔浓度的差值为：同除（ΔxΔyΔz）tczyxzyJJixxixi0x22xDtcxJtciiiiic代入菲克第一定律11.4固体中的扩散与扩散系数P258（11.4.5）频率因子扩散激活能式中0D---QRTQDD/exp0dxdCDJ由扩散第一定律可以看出，单位时间内扩散通量的大小（扩散速度的快慢）取决于扩散系数D和浓度梯度。因此在一定的条件下，扩散的快慢主要取决于扩散系数D。R=8.314J/K·mol扩散系数与温度和扩散激活能等有关，可用（Arrhenius公式）表示：RTQDDexp0温度是影响扩散系数的最主要因素。温度越高，原子的能量越大，越易发生迁移，扩散系数越大。碳在γ-Fe中扩散时，D0=2.0×10-5m2/s，Q=140×103J/mol。R=8.314J/K·mol，试计算在927和1027℃时的碳的扩散系数，并说明温度对扩散的影响。根据Arrhenius公式：RTQDDexp0sec/1076.1100.2211120002239.010140512003meDsec/10152.5100.221113002239.010140513003meD可见，温度从927提高到1027，就使扩散系数增加3倍，即渗碳速度增加了3倍。FCC致密度74%BCC致密度68%HCP致密度74%研究生入学试题选_________________________________.1的物理意义是扩散系数D_________________________________.2为菲克第一定律的表达式_________________________________.3为菲克第二定律的表达式_________________________________.4系表达式为扩散系数与温度之间关_________________________________.5能包括置换固溶体的扩散激活_________________________________.6；反应扩散是指上坡扩散指_____________________.7扩散通量为_____________________.8别为能和扩散通量的单位分制中，扩散系数、激活在SI北科大考研《金属学》试题（2002）五、写出菲克第一定律的表达式，并说明其意义。简述影响扩散的因素。（10分）五、简述菲克第一、二定律的含义，写出其表达式，并表明其字母的物理含义。（12分）北科大考研《金属学》试题（2003）（2004）八、分析和讨论影响金属或合金中原子扩散的主要因素。（10分）北工大考研《材料科学基础》试题（2005）八、影响晶态固体中原子扩散的因素有哪些？并加以简要说明（10分）