第三篇質(zhì)量傳輸?shù)谌|(zhì)量傳輸緒論物質(zhì)從體系的某一部分遷移到另一部分的現(xiàn)象稱(chēng)為質(zhì)量傳輸，簡(jiǎn)稱(chēng)傳質(zhì)。研究對(duì)象：物質(zhì)的分子、原子的遷移，而不研究物質(zhì)微團(tuán)、顆料甚至更大體積物質(zhì)在空間的移動(dòng)。研究目標(biāo)：傳質(zhì)過(guò)程中濃度場(chǎng)特征的變化及與此相關(guān)的問(wèn)題，不研究分子、原子的運(yùn)動(dòng)形式。金屬熱態(tài)成形過(guò)程中的質(zhì)量傳輸現(xiàn)象均一狀態(tài)相體系中不同空間不同狀態(tài)相間的組分濃度或化學(xué)位差別流體的宏觀流動(dòng)將物質(zhì)從一處遷移到另一處溶質(zhì)再分配擴(kuò)散退火滲透釬焊質(zhì)量傳輸常受動(dòng)量傳輸和熱量傳輸影響砂型、砂芯加熱干燥時(shí)，水分子的遷移就受型、芯表面?zhèn)鳠?，爐氣運(yùn)動(dòng)因素的影響。研究質(zhì)量傳輸問(wèn)題時(shí)，必須掌握熱量傳輸、動(dòng)量傳輸?shù)闹R(shí)，進(jìn)行綜合性的運(yùn)用。本篇內(nèi)容包括：

質(zhì)量傳輸?shù)娜N基本形式11.2菲克第一定律11.1質(zhì)量傳輸方式、濃度與物質(zhì)流11.3菲克第二定律11.4固體中的擴(kuò)散與擴(kuò)散系數(shù)11.5流體和多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散與擴(kuò)散系數(shù)本章內(nèi)容包括本次課主要講授：要求掌握：

1、擴(kuò)散傳質(zhì)、對(duì)流傳質(zhì)和相間傳質(zhì)的基本含義；

2、幾種不同的濃度表示方式；

3、菲克第一、第二定律的表達(dá)式及語(yǔ)言描述。11.2菲克第一定律11.1質(zhì)量傳輸方式、濃度與物質(zhì)流11.3菲克第二定律11.4影響擴(kuò)散的因素本章主要介紹傳質(zhì)研究中的基本概念、重要術(shù)語(yǔ)和基礎(chǔ)定律。

物質(zhì)的分子或原子在空間的遷移形式基本有三種擴(kuò)散傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)相間傳質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)由于體系中某組分存在分布不均的濃度差而引起的質(zhì)量傳輸稱(chēng)為擴(kuò)散傳質(zhì)。

在絕對(duì)零度以上，物質(zhì)的分子或原子總處于不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)不僅發(fā)生能量交換，物質(zhì)的分子或原子也可能遷移。當(dāng)體系中某一組元的濃度分布不均時(shí)，由高濃度區(qū)遷出的該組元分子或原子數(shù)目將比由低濃度區(qū)遷進(jìn)的分子或原子數(shù)目多，使兩區(qū)的濃度差減弱，出現(xiàn)了質(zhì)量傳輸。對(duì)流傳質(zhì)在流體中，由于流體宏觀流動(dòng)引起物質(zhì)從一處遷移到另一處的現(xiàn)象稱(chēng)為對(duì)流傳質(zhì)。對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程中，既存在流體主運(yùn)動(dòng)引起的傳質(zhì)，也會(huì)出現(xiàn)流體中某組元濃度場(chǎng)引起的擴(kuò)散傳質(zhì)。對(duì)流傳質(zhì)與流體的流動(dòng)狀態(tài)、流體動(dòng)量傳輸密切相關(guān)，其機(jī)理與對(duì)流換熱相似。相間傳質(zhì)相間傳質(zhì)既有分子或原子的擴(kuò)散傳質(zhì)，又有流體中的對(duì)流傳質(zhì)。相間傳質(zhì)是通過(guò)不同相的相界面進(jìn)行多種傳質(zhì)過(guò)程的綜合。鋼件滲氮熱處理時(shí)是通過(guò)氣、固界面進(jìn)行的在相界面上有時(shí)發(fā)生集聚狀態(tài)的變化或化學(xué)反應(yīng)，相界面兩邊介質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等都對(duì)相間傳質(zhì)有影響。（各種濃度表示法和定義）單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位截面的物質(zhì)i組分摩爾數(shù)稱(chēng)為i組分的摩爾傳質(zhì)通量J

i；

單位時(shí)間通過(guò)單位截面的i組元的質(zhì)量稱(chēng)為i組元的質(zhì)量傳質(zhì)通量j

i。

如圖所示，設(shè)有一根固溶體合金棒，在沿其長(zhǎng)度方向x存在著濃度梯度。經(jīng)高溫加熱若干時(shí)間后，因溶質(zhì)原子的遷移而逐漸達(dá)到成分均勻。雖然固體金屬中單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，但從大量溶質(zhì)原子的統(tǒng)計(jì)來(lái)看顯然有更多的原子是自濃度高的一邊移向濃度低的另一邊擴(kuò)散，即存在著溶質(zhì)原子的擴(kuò)散流。

11.2菲克第一定律

A.Fick指出：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量(稱(chēng)為擴(kuò)散通量J)與該截面處的濃度梯度呈正比。這個(gè)規(guī)律稱(chēng)為菲克第一定律或擴(kuò)散第一定律。設(shè)擴(kuò)散是沿著x軸方向進(jìn)行的，即濃度梯度為dC/dx，

則菲克第一定律可寫(xiě)成方程式：D——m2/sJ——kg/s.m2

用化學(xué)位表示的菲克第一定律：

求出的是瞬時(shí)物質(zhì)通量，但傳質(zhì)過(guò)程會(huì)引起體系內(nèi)濃度梯度隨時(shí)間發(fā)生變化，即出現(xiàn)了濃度場(chǎng)。

濃度場(chǎng)隨時(shí)間發(fā)生變化的擴(kuò)散傳質(zhì)狀態(tài)稱(chēng)為不穩(wěn)定(或非穩(wěn)態(tài))擴(kuò)散傳質(zhì)。

對(duì)于不穩(wěn)定擴(kuò)散傳質(zhì)，并且擴(kuò)散過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)，可根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過(guò)對(duì)體系中微元體列出質(zhì)量平衡式，就可獲得濃度場(chǎng)的微分方程，得出菲克第二定律。11.3菲克第二定律

為簡(jiǎn)化問(wèn)題的研究，這里只討論在x軸方向上的一維擴(kuò)散問(wèn)題。如圖所示，單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散輸入和輸出微元體（ΔxΔyΔz）的摩爾濃度的差值為：同除（ΔxΔyΔz）11.4固體中的擴(kuò)散與擴(kuò)散系數(shù)P258（11.4.5）由擴(kuò)散第一定律可以看出，單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散通量的大小（擴(kuò)散速度的快慢）取決于擴(kuò)散系數(shù)D和濃度梯度。因此在一定的條件下，擴(kuò)散的快慢主要取決于擴(kuò)散系數(shù)D。R=8.314J/K·mol擴(kuò)散系數(shù)與溫度和擴(kuò)散激活能等有關(guān)，可用（Arrhenius公式）表示：溫度是影響擴(kuò)散系數(shù)的最主要因素。溫度越高，原子的能量越大，越易發(fā)生遷移，擴(kuò)散系數(shù)越大。

碳在γ-Fe中擴(kuò)散時(shí)，D

0=2.0×10-5m2/s，Q=140×103J/mol。R=8.314J/K·mol，試計(jì)算在927和1027℃時(shí)的碳的擴(kuò)散系數(shù)，并說(shuō)明溫度對(duì)擴(kuò)散的影響。根據(jù)Arrhenius公式：可見(jiàn)，溫度從927提高到1027，就使擴(kuò)散系數(shù)增加3倍，即滲碳速度增加了3倍。FCC致密度74%BCC致密度68%HCP致密度74%研究生入學(xué)試題選北科大考研《金屬學(xué)》試題（2002）五、寫(xiě)出菲克第一定律的表達(dá)式，并說(shuō)明其意義。簡(jiǎn)述影響擴(kuò)散的因素。（10分）五、簡(jiǎn)述菲克第一、二定律的含義，寫(xiě)出其表達(dá)式，并表明其字母的物理含義。（1