傳熱學第十一章傳質學簡介課件制作人：尹華杰傳熱學第十一章課件制作人：尹華杰11-1質擴散與斐克定律傳質學的幾個概念質量傳遞或傳質

在含有兩種或兩種以上組分的流體內部，如果有濃度梯度存在，則每一種組分都有向低濃度方向轉移，以減弱這種濃度不均勻的趨勢。混合物的組分在濃度梯度作用下由高濃度向低濃度方向的轉移過程稱為傳質，亦稱質量傳遞熱擴散、壓力擴散引起濃度擴散11-1質擴散與斐克定律傳質學的幾個概念11-1質擴散與斐克定律混合物濃度的表示方法

濃度梯度是傳質的一種推動力質量濃度ρ，單位是kg/m3

物質的量濃度c，單位是kmol/m311-1質擴散與斐克定律混合物濃度的表示方法

濃度梯度是傳質11-1質擴散與斐克定律混合物濃度的表示方法理想混合氣體第i組分物質的量濃度ci與組分的分壓力pi及溫度T的關系11-1質擴散與斐克定律混合物濃度的表示方法11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及

典型擴散過程質擴散裴克定律11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及

典型擴11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程質擴散裴克定律11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程質擴散系數

質擴散系數D是個物性參數,它表征了物質擴散能力的大小。它的值取決于混合物的性質、壓力與溫度，主要靠實驗來確定，可查取。

對氣相物質，當已知溫度T0、壓力p0下的擴散系數D0時，溫度T、壓力p下的擴散系數可按下式估算：11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程熱量、動量和質量傳遞過程對比11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程三種傳遞現象的傳遞率的統一計算式

傳遞率=-擴散率×傳遞推動力兩種典型的質擴散過程等摩爾逆向擴散等摩爾逆向擴散定義

如圖所示，設組分A、B以相同

的物質的量的通量密度向相反

方向擴散，則稱這種擴散過程

為等摩爾逆向擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程等摩爾逆向擴散穩態擴散時，等摩爾逆向擴散系數DAB與DBA間的關系

穩態時整個擴散系統的總壓力為常數：11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程等摩爾逆向擴散等摩爾逆向擴散中物質的量的通量密度計算式11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程等摩爾逆向擴散等摩爾逆向擴散的應用場合

在氣體分離的蒸餾過程中，當低沸點組分和高沸點組分的潛熱相近時，高沸點組分凝結釋放出的熱量使相同物質的量的低沸點組分汽化（略去散熱），則該過程可近似地按等摩爾逆向擴散處理11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散問題描述

考慮如圖所示的量筒底部的水層向

頂部大氣的擴散過程。由于水面上

水分的蒸發，水蒸氣不斷地向上擴

散。此外，設在量筒口有一股極低

流速的氣流不斷地把水蒸氣帶走，

則可建立起一個穩態的擴散過程11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散問題描述

由圖可見，空氣中的分壓力梯度

在接近于水面處幾乎為零。這是

因為空氣在水中的溶解度幾乎為

零，因而不能向水中擴散。由于

在這一過程中水面上的水蒸氣不

斷向空氣擴散，而空氣不能進入

水面，因而稱為單向擴散。11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散問題描述

但另一方面，量筒口處空氣的分壓力顯然要大于水面上的分壓力，因而必須有空氣不斷地從量筒口向量筒底部擴散，這樣便會在水平面上積聚起越來越多的空氣。為了維持一個穩定的擴散過程，可以設想一定會有一股沿水面的法線方向向上流動的混合氣流。該混合氣流中夾帶有空氣，以補償從量筒口向水面的空氣擴散。在量筒的任一截面上這股向上的氣流的流速應使該截面上空氣的凈質量交換率（空氣向下的擴散與補償氣流向上夾帶的空氣之差）為零11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散問題假定擴散過程是穩態的系統是等溫的水面上方空間的壓力p0為常數混合氣體可以作為理想氣體處理11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散單向擴散物質量的通量密度計算式—斯蒂芬（Stephan）定律11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散這是在裴克定律的基礎上考慮了單向擴散特點后得出的物質的量的通量密度計算式，稱為斯蒂芬定律這是在裴克定律的基礎上考慮了單向擴散特點后得出的物質的量的11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散斯蒂芬（Stephan）定律的積分表達式11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳質表面傳質系數對流傳質

對流傳質（又稱質對流）是指當流體流經一個相界面時與界面之間發生的質量交換。

這種界面可以是液體表面也可以是固體表面11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳質表面傳質系數11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳質表面傳質系數對流傳質計算式11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳質表面傳質系數11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳熱與傳質的類比對流換熱與對流傳質具有相同的單值性條件時的關系—路易斯（Lewis）關系

層流時對流換熱與對流傳質的對比11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳熱與傳質的類比傳熱學第四版第11章講解課件傳熱學第四版第11章講解課件11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳熱與傳質的類比湍流時對流換熱與對流傳質的類比傳遞方式對流換熱對流傳質管內強制對流

換熱充分發展段，流體被加熱外掠平板11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳熱與傳質的類比傳遞方式對應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象

當一股溫度為t∞、水蒸氣質量濃度為ρ∞的氣流吹過濕球時同時發生著對流傳質及對流傳熱。首先，水蒸氣由濕球上的水膜表面進入空氣流中，水膜表面水蒸氣的分壓力即為濕球溫度tw下的飽和蒸汽壓力。

相應的水蒸氣質量濃度為ρw應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象來流空氣中水蒸氣濃度的計算式

在單位面積上的質交換為

由于水分的蒸發要吸收潛熱，從而使水膜溫度降低(tw低于干球溫度t∞)，氣流與水膜表面間又產生了對流換熱，單位面積上的換熱量為

應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象來流空氣中水蒸氣濃度的計算式

達到熱平衡時,氣流傳給水膜的熱量等于水分蒸發所消耗的潛熱,即應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象復習題、習題復習題：3習題傳質：11-17復習題、習題復習題：3傳熱學在科學技術領域中的應用1.選用或發展合適的換熱關聯式，以便有效地設計各類熱交換設備2.利用或開發各種強化換熱手段，以提高傳熱效果、降低材料消耗、改進設備緊湊性傳熱學在科學技術領域中的應用1.選用或發展合適的換熱關聯式，傳熱學在科學技術領域中的應用3.開發或選擇有效的冷卻方法，以提高發熱（受熱）元件或設備的冷卻效果，保障設備的安全、經濟運行大型發電機冷卻技術的發展過程空氣冷卻20世紀30年代<100MW氫氣冷卻始于1937年(美國)<500MW水-氫冷卻始于1956年(美國)可達600MW以上雙水內冷始于1958年(中國)125kW全水內冷始于1962年(前蘇聯)>1000MW蒸發冷卻尚處于研究階段我國已研制成功1200kVA的樣機傳熱學在科學技術領域中的應用3.開發或選擇有效的冷卻方法，以傳熱學在科學技術領域中的應用3.開發或選擇有效的冷卻方法，以提高發熱（受熱）元件或設備的冷卻效果，保障設備的安全、經濟運行電子器件的導

熱模塊（TCM）核反應堆中的

燃料棒冷卻傳熱學在科學技術領域中的應用3.開發或選擇有效的冷卻方法，以傳熱學在科學技術領域中的應用4.設計絕熱工程、開發絕熱技術，以節約能量、保護環境絕熱材料絕熱設計5.預測加工制造工藝中工件內部的溫度場，以合理地控制生產工藝過程，提高產品質量，或為熱應力、熱變形的計算提供依據傳熱學在科學技術領域中的應用4.設計絕熱工程、開發絕熱技術，傳熱學在科學技術領域中的應用6.開發新能源、清潔能源，合理利用現有能源7.多孔介質中的傳熱傳質是與農業、林業、食品等部門中的許多操作或工藝有關的基本物理過程8.生物醫學工程中存在大量涉及熱量傳遞各種方式及非牛頓流體的傳熱問題9.傳熱學的規律在發展熱、流科學測試儀器中具有重作用傳熱學在科學技術領域中的應用6.開發新能源、清潔能源，合理利傳熱學在科學技術領域中的應用10.高新技術的發展不斷地向傳熱學研究提出新的挑戰傳熱學在科學技術領域中的應用10.高新技術的發展不斷地向傳熱傳熱學第十一章傳質學簡介課件制作人：尹華杰傳熱學第十一章課件制作人：尹華杰11-1質擴散與斐克定律傳質學的幾個概念質量傳遞或傳質

在含有兩種或兩種以上組分的流體內部，如果有濃度梯度存在，則每一種組分都有向低濃度方向轉移，以減弱這種濃度不均勻的趨勢。混合物的組分在濃度梯度作用下由高濃度向低濃度方向的轉移過程稱為傳質，亦稱質量傳遞熱擴散、壓力擴散引起濃度擴散11-1質擴散與斐克定律傳質學的幾個概念11-1質擴散與斐克定律混合物濃度的表示方法

濃度梯度是傳質的一種推動力質量濃度ρ，單位是kg/m3

物質的量濃度c，單位是kmol/m311-1質擴散與斐克定律混合物濃度的表示方法

濃度梯度是傳質11-1質擴散與斐克定律混合物濃度的表示方法理想混合氣體第i組分物質的量濃度ci與組分的分壓力pi及溫度T的關系11-1質擴散與斐克定律混合物濃度的表示方法11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及

典型擴散過程質擴散裴克定律11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及

典型擴11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程質擴散裴克定律11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程質擴散系數

質擴散系數D是個物性參數,它表征了物質擴散能力的大小。它的值取決于混合物的性質、壓力與溫度，主要靠實驗來確定，可查取。

對氣相物質，當已知溫度T0、壓力p0下的擴散系數D0時，溫度T、壓力p下的擴散系數可按下式估算：11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程熱量、動量和質量傳遞過程對比11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程三種傳遞現象的傳遞率的統一計算式

傳遞率=-擴散率×傳遞推動力兩種典型的質擴散過程等摩爾逆向擴散等摩爾逆向擴散定義

如圖所示，設組分A、B以相同

的物質的量的通量密度向相反

方向擴散，則稱這種擴散過程

為等摩爾逆向擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程等摩爾逆向擴散穩態擴散時，等摩爾逆向擴散系數DAB與DBA間的關系

穩態時整個擴散系統的總壓力為常數：11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程等摩爾逆向擴散等摩爾逆向擴散中物質的量的通量密度計算式11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程等摩爾逆向擴散等摩爾逆向擴散的應用場合

在氣體分離的蒸餾過程中，當低沸點組分和高沸點組分的潛熱相近時，高沸點組分凝結釋放出的熱量使相同物質的量的低沸點組分汽化（略去散熱），則該過程可近似地按等摩爾逆向擴散處理11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散問題描述

考慮如圖所示的量筒底部的水層向

頂部大氣的擴散過程。由于水面上

水分的蒸發，水蒸氣不斷地向上擴

散。此外，設在量筒口有一股極低

流速的氣流不斷地把水蒸氣帶走，

則可建立起一個穩態的擴散過程11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散問題描述

由圖可見，空氣中的分壓力梯度

在接近于水面處幾乎為零。這是

因為空氣在水中的溶解度幾乎為

零，因而不能向水中擴散。由于

在這一過程中水面上的水蒸氣不

斷向空氣擴散，而空氣不能進入

水面，因而稱為單向擴散。11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散問題描述

但另一方面，量筒口處空氣的分壓力顯然要大于水面上的分壓力，因而必須有空氣不斷地從量筒口向量筒底部擴散，這樣便會在水平面上積聚起越來越多的空氣。為了維持一個穩定的擴散過程，可以設想一定會有一股沿水面的法線方向向上流動的混合氣流。該混合氣流中夾帶有空氣，以補償從量筒口向水面的空氣擴散。在量筒的任一截面上這股向上的氣流的流速應使該截面上空氣的凈質量交換率（空氣向下的擴散與補償氣流向上夾帶的空氣之差）為零11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散問題假定擴散過程是穩態的系統是等溫的水面上方空間的壓力p0為常數混合氣體可以作為理想氣體處理11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散單向擴散物質量的通量密度計算式—斯蒂芬（Stephan）定律11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散這是在裴克定律的基礎上考慮了單向擴散特點后得出的物質的量的通量密度計算式，稱為斯蒂芬定律這是在裴克定律的基礎上考慮了單向擴散特點后得出的物質的量的11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散過程兩種典型的質擴散過程單向擴散斯蒂芬（Stephan）定律的積分表達式11-1質擴散與斐克定律質擴散裴克（Fick）定律及典型擴散11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳質表面傳質系數對流傳質

對流傳質（又稱質對流）是指當流體流經一個相界面時與界面之間發生的質量交換。

這種界面可以是液體表面也可以是固體表面11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳質表面傳質系數11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳質表面傳質系數對流傳質計算式11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳質表面傳質系數11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳熱與傳質的類比對流換熱與對流傳質具有相同的單值性條件時的關系—路易斯（Lewis）關系

層流時對流換熱與對流傳質的對比11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳熱與傳質的類比傳熱學第四版第11章講解課件傳熱學第四版第11章講解課件11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳熱與傳質的類比湍流時對流換熱與對流傳質的類比傳遞方式對流換熱對流傳質管內強制對流

換熱充分發展段，流體被加熱外掠平板11-2對流傳質及表面傳質系數對流傳熱與傳質的類比傳遞方式對應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象

當一股溫度為t∞、水蒸氣質量濃度為ρ∞的氣流吹過濕球時同時發生著對流傳質及對流傳熱。首先，水蒸氣由濕球上的水膜表面進入空氣流中，水膜表面水蒸氣的分壓力即為濕球溫度tw下的飽和蒸汽壓力。

相應的水蒸氣質量濃度為ρw應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象來流空氣中水蒸氣濃度的計算式

在單位面積上的質交換為

由于水分的蒸發要吸收潛熱，從而使水膜溫度降低(tw低于干球溫度t∞)，氣流與水膜表面間又產生了對流換熱，單位面積上的換熱量為

應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象來流空氣中水蒸氣濃度的計算式

達到熱平衡時,氣流傳給水膜的熱量等于水分蒸發所消耗的潛熱,即應用實例

質量與熱量同時傳遞的過程干濕球溫度計的質熱傳遞現象復習題、習題復習題：3習題傳質：11-17復習題、習題復習題：3傳熱學在科學技術領域中的應用1.選用或發展合適的換熱關聯式，以便有效地設計各類熱交換設備2.利用或開發各種強化換熱手段，以提高傳熱效果、降低材料消耗、改進設備緊湊