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气体传递过程的理论研究 摘要：本文简单介绍了气体质量传递，动量传递，能量传递的基本理论。并运用钢球理论和Chapman-Enskog理论对气体扩散系数，粘度，热传导系数进行计算。 关键词：气体，质量传递，动量传递，能量传递 传递现象包括质量传递，动量传递，能量传递。气体的传递过程同样涉及到这三个方面。三种传递通量表达式都与其传递性质有关: 动量通量与流体黏度及速度梯度成正比,而描述热量和质量通量性质的量分别是导热系数和扩散系数,这三个系数称为物质的传递性质。这里将围绕气体的传递性质，对气体传递理论的基础及传递模型展开讨论。 1．质量传递 质量传递是物质在介质中因化学势差的作用发生由化学势高的部位向化学势低的部位迁移的过程，它与动量传递、热量传递并称为三种传递过程。质量传递可以在相内进行，也可能在相际进行。 气体的质量传递过程是质量传递的一种类型，它是一种广泛存在的现象。例如，敞口水桶中水向静止空气中蒸发，烟气在大气中扩散，用吸收方法脱除烟气中的二氧化硫，以及催化反应中反应物向催化剂表面转移等，都是日常生活中或工程上常见的气体质量传递过程。在化工生产中，气体质量传递不仅是均相混合物分离的物理基础之一，而且也是反应过程中几种反应物互相接触以及反应产物分离的主要机理之一。研究气体质量传递规律，不仅对传质设备的设计很重要,而且对反应器的设计,特别在涉及受质量传递控制的反应时,也是很重要的。 当流体内部存在着某一组分的浓度差，则因分子的无规律的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。分子扩散可由温度梯度，压力梯度产生。在此讨论的分子扩散仅因浓度梯度产生，这种分子扩散与传热中由于温度差而引起的热传导相似。 质量传递的理论基础是菲克定律：在二元混合物（A+B）中，对于T,P一定的一维定态分子扩散速率与浓度梯度成正比。 如扩散延Z方向进行，有： or 式中： —扩散速率通量，—组分A在A、B双组分混合物中的扩散系数，—浓度梯度，费克定律的形式与傅立叶热传导定律相类似。费克定律表明只要混合物中存在浓度梯度，必产生物质的扩散流。 对于不同分子质量和直径的刚球分子: (2) Chapman-Enskog理论: 更精确的方程为: 对理想气体: 比较自扩散系数与黏度的关系,得出: 2．动量传递 气体在运动时,在相对运动的层与层之间存在应力(Stress)。正因为应力的存在，气体流动才会有动量传递，才会有速度分布。而产生应力的原因是气体有黏度。相对分子质量低于5000的所有液体和所有气体的流动阻力都可以用牛顿粘性定律描述，这些流体称为牛顿流体。牛顿流体都满足牛顿粘性定律： 其中： ――y方向上的x动量通量， ――流体的粘度， ――流体x方向上的速度， ――流体y方向上的位置， 即单位面积上的剪切力与速度梯度的负值成正比，比例系数为流体的粘度。速度梯度可以看作是动量传递的推动力。它在动量传递中的作用就如同浓度梯度在质量传递中的作用。 在牛顿粘性定律中存在两个变量：粘度和速度梯度。速度梯度较容易测量，这里将着重讲述粘度的计算。要计算气体的粘度，就需要研究气体粘度的影响因素,需要从影响气体分子运动的因素入手,关于气体分子运动论的两种理论: (1)刚球理论 两个基本假设: a．气体分子可视为刚性球体,球体在碰撞时相互之间无作用力,只有动量的交换; b．分子在到达某平面时经过的距离a,是其平均自由程的2/3. 数学描述为: 分子运动平均速度: 单位壁面面积上分子撞击频率: 分子碰撞时经过的距离(平均自由程): 分子在到达某平面时经过的距离: 经过推导,得到黏度表达式: 由上式看出,气体黏度与压力无关,随温度上升而增加,然而上式的误差比较大，因而需要引入更精确的公式: （2）Chapman-Enskog理论: 该理论的假设分子间存在引力和斥力,分子间势能可用Lennard-Jones方程表示为: 其中为分子特征直径(称为碰撞直径),为特征能量。 经过推导,黏度表达式为: 其中为碰撞积分系数,此系数描述了Chapman-Enskog理论中分子与刚球理论分子的差别.如果令=1,则Chapman-Enskog理论变为刚球理论. 实际应用中, 由Chapman-Enskog理论公式计算的黏度比刚球理论的出的结果更精确,原因是前者考察了分子间作用力,更接近于真实情况. 3．能量传递 能量传递有多种方式：传导，由分子热运动产生，要求产生传递的两点之间存在温差；对流，流体的整体运动产生；扩散，在相互扩散的混合物中产生；辐射，与前几种传递都不同，它不需要媒介，本质上是一个电磁作用过程，使能量以光速通过没有任何物质的空间而传递。 气体的能量传递同样