第三章分子扩散传质1~3节.ppt

* 第三章 分子扩散传质 第一~三节 3.1 概述 3.2 菲克第一定律扩散系数 3.2.1 菲克定律 3.2.2 扩散系数 3.3扩散机理与扩散系数 3.3.1固体中的扩散机理 3.3.2液体中的扩散机理 3.3.3气体的扩散机理 3.3.4气体通过多孔介质的扩散 3.1 概述 同导热一样，分子扩散传质是依靠分子的热运动来完成的物质传输过程，在固体、液体、气体中均可以发生。 冶金中有许多过程有分子扩散传质在起作用如： 活性点 旧相 活性点 新相的形成及长大 旧相 ① 铁矿石的还原过程中的未反应核模型 ② 渣-钢界面反应 ③ 钢铁表面化学热处理 ④ 淬火、退火等过程 以上的反应都是发生在固相内或两相界面上。 扩散的动力：浓度差。菲克定律认为分子扩散传质的动力是浓度梯度，但更基本的观点是化学势。过程发生的方向是化学势降低的方向（吉布斯能减小）。 只要存在浓度差，扩散是必然的，因为熵要增大。 但是要注意，分子热运动与浓度差无关，有无浓度差，分子都有无规则的热运动，无浓度差时，热运动是微观的，即微观上看，某个分子原子可能发生了位移，但是，宏观上看，各方概率相同，并无物质的传输。但当有浓度差存在时，情况就不同了，A物质浓度大处向浓度低处传输通量与A浓度低处向浓度高处传输的物质通量就不同了，不但微观上有物质传输，宏观上也有物流发生。 定义：由于浓度梯度的存在，物质依靠分子热运动的作用，所产生的质量传输，称为分子扩散传质。 3.2 菲克第一定律与扩散系数 3.2.1菲克扩散定律 1855年由菲克提出一个经验公式：浓度梯度作用下物质依靠分子运动的作用产生物质传输速率（扩散通量）与浓度梯度成正比。数学表达式为 注意与傅立叶定律的类似性 DA表示组分A在混合物中的分子扩散系数（简称扩散系数 m2/s） 对理想气体 PAV= nRT 带入菲克公式，便有气体中的扩散通量为： (2)影响因素（主要有四个方面 3.2.2 扩散系数（分子扩散系数） (1)定义：扩散系数为物质的物理属性，表示扩散能力的大小。物理意义为：浓度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的物质量。单位 m2/s. ①物质种类：扩散分子或原子直径越小，溶质与溶剂的结合力越小，则DA越大。 ②结构状态：主要是溶剂的结构状态。因为是扩散，所以溶剂分子间的结合力越弱越有利于扩散分子（原子）的通过。 所以气体中： 液体中： 固体中： 液体与固体的结合状态相近，故D液与D固有过渡，而气体与液体的结合状态有突变，故D气与D液之间有突变。 ④压力或浓度：扩散系数不是常数，不只是指它与物质种类物质温度有关，也与浓度（压力）有关，也就是说，当物种状态温度确定后，D 仍不是常数,只是可以近似看作与浓度(压力)无关而已. 在气体中： ③温度：扩散是分子热运动的结果。温度越高，分子运动动能越大，故温度越高，D越大． 液体和固体中： 3.3 扩散机理与扩散系数 3.3.1 固体中的扩散机理（10-14~10-10 m2/s） 固体中的分子(原子)排列紧密，相互作用强烈，组分迁移比较困难，只有在温度较高的条件下才可观察出明显的扩散现象。对晶体(金属或非金属)来说，有四种扩散机理 间隙式扩散 环圈式扩散 空位式扩散 互换式扩散 某些体心立方结构金属中，三四个原子组成一个环圈，从而可能发生旋转式的换位。这种扩散机理所消耗的能量比两个原子直接换位时要小的多，这种机理目前还缺乏直接证据，仅作为一种假设。 几种可能的扩散机理示意图 4间隙式扩散 2环圈式扩散 3空位式扩散 1互换式扩散 某些双组分子系统中固体扩散系数 间隙元素在铁族物质中的互扩散系数 P366~367 如前所述，固体中的扩散系数与温度的关系符合阿累尼乌斯公式: D0：频率因子 m2/s或叫标准状态下的扩散系数 E：扩散活化能 J/mol R：气体常数 8.3143J/mol.k T：绝对温度 K 服从Arrhenius公式，表示该过程是一个热激活化过程。 什么叫热激活化过程 假如某扩散过程的能垒为E。受热后分子热运动动能增加，某些分子(原子)可以跃过这能垒，从而完成扩散，温度越高活化分子(原子)就越多。 3.3.2 液体中的扩散机理（10-10~10-9 m2/s） 液体虽属于流体，但绝大多数液体的密度更接近于固体的密度,这说明液体内的分子间的相互作用与固体相近。 由表13-6~8可知，大多数液体扩散系数非常接近，在 　　左右。这表示物种