材料化学 第三章 传质

第三章 传质引言：1。

传质。

传质（Mass Transfer ）又称“物质传递”。

传质属于扩散，它与扩散的区别在于：传质多对应于多相反应中的扩散，如液-气反应、气-固反应、固-液反应、固-固反应、不互溶的液-液反应等。

2．传质系数。

对如图**********的情况，2O 扩散到Fe 中，设2O 在Fe 表面的浓度为2C ，离开Fe 表面距离大于d 处浓度不变且为1C （1C >2C ）。

则扩散通量d C C D x C DJ 12-≈=∂∂-=。

定义“传质系数”dDk =，则 k C C J )(21-= 式3-1传质系数的单位是sec /cm 。

扩散通量可以用高浓度与低浓度之差乘以传质系数来计算，而这浓度差就是传质的驱动力。

3．浓度边界层。

发生传质的物质在反应表面的浓度和离开表面很远处的浓度是不同的。

设物质A 在表面与B 反应，则浓度随离开表面的距离增大而降低，表面处的A 浓度As C 应低于无穷远处的A 浓度∞A C 。

实际上，离开表面一定距离后，A 的浓度就接近不变了。

如图*************，在x C A ~图上的（As C ，0）点处做曲线的切线，与∞=A A C C 的反向延长线交与一点，则此点到纵轴的距离δ为“浓度边界层”厚度，它表示：当离开表面的距离超过δ后，我们就认为浓度不再随距离增大而降低了。

或者说，浓度随距离的降低只发生在δ厚度内。

这个δ和我们在介绍“传质系数”时用到的d 是一个概念，这样可以简化问题。

当然，“浓度边界层”厚度不是固定的，它还随反应液体或气体的流速、密度、粘度和温度而变化，这也很好理解：我们把一块方糖放入水中，在糖的每一个于水接触的表面，就有上述的“浓度边界层”。

当我们搅拌水时，相当于加快了水的流动速度，则δ因此下降，k 增加，由式3-1可知传质通量增大，传质速度加快。

4．控速环节。

假设气态的A 扩散到固态的C 表面，与C 反应生成气态的B 。

这一反应实际上由三个步骤组成：1）A 扩散到C 表面；2）A 反应生成B ；3）B 离开C 表面扩散到气相中。

扩散传质的物理原理应用一、扩散传质的基本概念扩散传质是指物质在混合体系中由高浓度区向低浓度区传播的过程。

其基本原理是分子之间的热运动使得高浓度区的分子自发地向低浓度区扩散。

扩散传质在许多领域中都有重要的应用，如材料科学、化学工程、生物医学等。

二、扩散的物理原理扩散的物理原理可以用布朗运动模型来解释。

布朗运动是指在液体或气体中，微观粒子由于受到周围分子的碰撞而发生的无规则运动。

在布朗运动中，微观粒子的位置在长时间的平均下，呈现出无规则的变动。

扩散传质中，扩散的速率与温度、浓度梯度和物质的分子大小有关。

三、扩散传质的应用1. 材料科学中的扩散在材料科学中，扩散传质是一种重要的质量传递方式。

通过控制材料中的扩散过程，可以改变材料的物理、化学性质，从而实现材料的功能改造。

例如，在金属材料中，通过控制金属原子之间的扩散可以改变材料的硬度、导电性等性质。

2. 化学工程中的扩散在化学工程中，扩散传质是许多反应过程中的重要步骤。

通过扩散传质的控制可以调节反应的速率、选择性等。

例如，在化学反应中，扩散传质可以影响反应物的扩散到反应物表面的速率，从而影响反应的进行。

3. 生物医学中的扩散在生物医学中，扩散传质的应用非常广泛。

扩散在生物体内起着重要的作用，包括氧气的吸收、二氧化碳的排出、药物的传输等。

通过扩散传质的研究，可以更好地理解生物体内物质传输的机理，从而指导医学领域的治疗和药物设计。

4. 环境保护中的扩散在环境保护领域，扩散传质有着重要的应用。

例如，在大气污染控制中，通过分析和模拟空气中污染物的扩散过程，可以确定对污染源的控制策略。

此外，在水体中的污染物的扩散过程中，也需要考虑扩散传质的影响。

四、总结扩散传质是一种重要的质量传递方式，其基本原理是分子之间的热运动导致物质自发地从高浓度区向低浓度区扩散。

扩散传质在众多领域中有着广泛的应用，包括材料科学、化学工程、生物医学和环境保护等。

通过研究和控制扩散传质的过程，可以改变材料的性质、调节化学反应的速率、指导医学治疗和环境保护措施的制定。

第三章1、指出金属中键型和结构的主要特征。

为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题？答：（1）金属中键型是金属键，由于金属元素的电负性一般都比较小，电离能也较小，最外层家电子很容易脱离原子的束缚而在金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比较自由的运动，形成自由电子。

金属晶体中各金属原子的价电子公有化于整个金属大分子，所有成键点子可在整个聚集体中流动，而共同组成了离域的N中心键。

在金属晶体中没有定域的双原子键，也不是几个原子间的离域键，而是所有原子都参加了成键，这些离域电子在三维空间中运动，离域范围很大。

（2）因为整个金属单质晶体可以看作是同种元素的金属正离子周期性排列而成，这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态，他们的电子分布基本上是球形对称的；而同种元素的原子半径都相等，因此可以把他们看成是一个个等径圆球。

又因为金属键无饱和性和方向性，金属原子在组成晶体时，总是趋向于形成密堆积的结构，其特点是堆积密度大，相互的配位数高，能够充分利用空间，整个体系能量最低。

所以可以用等圆球密堆积的模型来描述金属结构。

2、指出A1型和A3型密堆积结构的点阵形式与晶胞中球的数目，并写出球的分数坐标。

答：A1型为立方F，晶胞中球的数目为4。

球的分数坐标A3型为六方P格子，晶胞中的球的数目为2。

求的分数坐标为3、试比较A1和A3型结构的异同，指出A1和A3型结构中密置层相应的晶面指标。

答：A1型结构重复周期为三层，可画出面心立方晶胞，为立方最密堆积。

重复方式为ABCAB C……。

A3性结构重复周期为二层，可画出六方晶胞，为刘方最密堆积。

重复方式为ABAB……A1、A3型堆积中原子的配位数皆为12，中心原子与所有配位原子都接触，同层6个，上下两层各3个。

所不同的是，A1型堆积中，上下两层配位原子沿C3轴的投影相差60度呈C6轴的对称性，而A3堆积中，上下两层配位原子沿c轴的投影互相重合。

在这两种最紧密堆积中，球间的空隙数目和大小也相同。

物理化学中的扩散与传质现象扩散是物理化学中一个重要的概念，它描述的是物质在空间中的传播过程。

扩散现象广泛存在于自然界和工业生产中，对于理解和解释化学反应、物质反应速率、传质等过程有着重要的意义。

本文将介绍扩散的基本概念和传质现象及其应用。

一、扩散现象的基本概念扩散是指由高浓度区域向低浓度区域的物质传播过程，其驱动力是浓度差异的存在。

扩散现象的发生与物质的分子运动密切相关，分子在空间中的无规则热运动使得物质以分子的形式从高浓度区域向低浓度区域扩散。

扩散的速率与浓度差异、温度、扩散物质的特性等因素有关。

二、扩散过程的描述为了准确描述扩散过程，我们常常使用菲克第一定律和菲克第二定律来描述物质的转移过程。

1.菲克第一定律菲克第一定律是一种描述扩散过程中物质转移速率的数学关系。

该定律表明，物质转移的速率正比于浓度梯度的变化率，并与物质的扩散系数成正比。

数学公式为：J = -D * (dc/dx)其中，J表示物质转移的速率，D表示扩散系数，dc/dx表示浓度随空间坐标的变化率。

2.菲克第二定律菲克第二定律是菲克第一定律的推广，用于描述扩散过程中物质浓度随时间和空间的变化。

数学公式为：∂c/∂t = D * (∂²c/∂x²)其中，∂c/∂t表示浓度随时间的变化率，∂²c/∂x²表示浓度随空间坐标的二阶导数。

通过菲克定律的描述，我们可以计算出扩散过程中物质的转移速率和浓度分布，从而进一步认识和理解扩散过程。

三、传质现象及其应用在物理化学中，传质是指不同组分之间的物质转移过程。

传质现象广泛应用于实际生活和工业领域。

1.气体的扩散气体的扩散是指气体分子在容器中的自由运动，随着时间的推移，气体分子将均匀地分布在整个容器空间中。

气体扩散现象在大气环境中具有重要的科学意义，也应用于气体的分离和纯化等工业过程。

2.液体的扩散液体的扩散现象在溶液中具有重要的应用价值。

溶解过程中，溶质分子经由液体的扩散过程，从高浓度区域向低浓度区域扩散，最终达到均匀分布。

化学工程中的传质作用分析传质作为化学工程中的重要过程之一，广泛应用于能源、化工、生物、环保等领域。

传质作用是指物质从一处向另一处运动的过程，其中最常见的就是物质在气体、液体和固体之间的传输过程。

在化学工程中，通过传质作用可以实现物质的分离、反应和纯化等目的，因此对其进行深入的分析和研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

一、传质作用的基本概念传质作用是化学工程学科中的一个重要分支，它包括质量传递、热量传递和动量传递等方面。

其中，质量传递是传递物质的过程，热量传递是传递热量的过程，而动量传递则是传递动量的过程。

在传质作用中，质量传递的对象可以是气体、液体或固体等不同状态的物质，而其传输方式可以是扩散、对流或混合等。

扩散是指在相间接触面上，由于浓度不同的物质通过分子之间的相互作用而传递的过程。

对流则是由于物质在流体内部的运动而引起的传输现象。

混合则是指对两种或以上物质在合适条件下相接触并混合的过程。

二、传质作用的应用传质作用在化学工业中的应用非常广泛，例如在化学反应中，通常需要将反应物通过扩散、对流或混合等方式带到反应器中，同时将反应产物从反应器中带出，达到反应物与产物之间的分离和纯化。

在化学分离中，传质作用也扮演着至关重要的角色。

例如，在萃取、吸附、膜分离和气体液体分离等过程中，传质作用都是实现化学分离的基础。

此外，传质作用还能够实现热量和动量的传递，例如在换热器和传动器中，常常采用传质方式实现热量和动量的传递。

三、传质作用的影响因素传质作用受到许多影响因素的影响，其中最重要的就是物质浓度、温度、压力、流速和传质距离等因素。

物质浓度是影响传质作用的最重要因素之一，反应物的初始浓度将决定传质的速率和方向。

温度和压力则是影响物质运动的两个基本参数，温度越高，分子热运动越活跃，传质速率越快；而压力的变化则会影响气体的扩散和流动行为。

流速对于对流传质有着很大的影响，较快的流速对传质的速率有着较好的提高作用。

化学工程中的传热与传质研究传热与传质是化学工程中至关重要的物理过程。

在化学反应、能源转换和材料处理等领域，传热与传质的研究对于提高工业生产效率、减少能源消耗、改善产品质量具有重要意义。

本文将重点探讨化学工程中的传热与传质研究。

一、传热与传质的基本概念传热是指热量从高温物体传递到低温物体的过程，其方式包括传导、对流和辐射。

传质是指组分从浓度高的相移动到浓度低的相的过程，其方式包括扩散、对流和化学反应。

二、传热与传质的数学模型在化学工程中，传热与传质的数学模型是理解和预测实际过程的重要工具。

以传热为例，最常用的数学模型是热传导方程和对流换热方程。

热传导方程描述了热量在固体中传导的过程，而对流换热方程描述了流体中的对流传热。

类似地，传质的数学模型包括扩散方程和对流传质方程。

扩散方程用于描述物质在流体中的分子扩散过程，而对流传质方程则描述了物质在流体中的对流输运。

三、传热与传质的实验研究方法理论模型的建立是传热与传质研究的基础，然而实验研究仍然是验证理论模型的重要手段。

在化学工程中，常用的传热与传质实验研究方法包括热传导实验和传质实验。

热传导实验通常通过测量物体表面的温度分布来确定热传导的特性。

例如，可以使用热电偶测量固体棒的温度分布，从而得到热传导系数。

传质实验则通过测量物体表面的浓度变化来确定传质的特性。

例如，可以将气体或液体传递到固体上，然后测量固体表面的浓度分布，从而得到扩散系数。

四、传热与传质的应用传热与传质的研究在化学工程中有着广泛的应用。

在化学反应中，传热与传质的过程会影响反应速率和产物分布。

通过研究传热与传质的特性，可以优化反应条件，提高反应效率。

此外，在能源转换领域，传热与传质的研究也至关重要。

例如，在燃烧过程中，燃料的燃烧产生热量需要通过传热才能有效利用。

传热和传质的研究可以帮助改善能源转换效率，减少能源消耗。

在材料处理领域，传热与传质的研究可以改善产品质量和生产效率。

例如，在金属加热处理过程中，对物体表面的传热和传质进行控制可以实现材料的均匀加热和合理的组织结构。

化学反应中的传热和传质动力学研究第一章概论化学反应是化学工程中最基础和重要的过程之一。

传热和传质在化学反应中起着决定性作用。

传热和传质动力学的研究对于化学反应的理解和控制至关重要。

本文将从传热和传质动力学的基本概念入手，阐述其在化学反应中的应用。

第二章传热动力学传热动力学是传热学和动力学的结合。

在化学反应中，传热动力学主要用来描述热量在反应过程中的传递和影响。

化学反应中产生的热量通常需要扩散到周围环境中，并对反应体系的温度、反应速率等参数产生影响。

传热动力学中的主要概念包括：热传导方程、热传导系数、热阻和温度场。

热传导方程是描述热量在反应体系中扩散的基本方程。

其形式为：$\frac{\partial T}{\partial t}=\alpha\nabla^2T$其中，$\frac{\partial T}{\partial t}$为温度随时间的变化率，$\alpha$为热传导系数，$\nabla^2T$为温度场的拉普拉斯算子。

热传导系数描述的是物质中热能的传递速率。

该系数受许多因素的影响，如物质的热导率、密度、比热、温度等。

改善传热系数对反应速率的改善有很大的作用。

热阻描述的是反应体系中热量扩散的难易程度。

反应体系中的物理结构和热传导特性决定了热阻的大小。

热阻越小，热量扩散越快，反应速率也随之提高。

温度场描述的是反应体系内部和表面的温度分布情况。

它对于反应速率和产物分布有重要影响。

在反应过程中，控制温度场是非常重要的。

第三章传质动力学传质动力学主要用来描述物质在反应过程中的扩散和影响。

化学反应中产生的物质往往需要扩散到反应环境中，并对反应速率、反应产物分布等参数产生影响。

传质动力学中的主要概念包括：弥散方程、质量传递系数、质量阻力和浓度场。

弥散方程是描述物质在反应体系内部扩散的基本方程。

其形式为：$\frac{\partial C}{\partial t}=D\nabla^2C$其中，$\frac{\partial C}{\partial t}$为物质浓度随时间的变化率，$D$为扩散系数，$\nabla^2C$为浓度场的拉普拉斯算子。