Транспортные явления

Часть серии по
Химическая инженерия
Контур История Индекс
Основы
Промышленность Инженер Процесс Единичные операции Кинетика Транспортные явления
Единичные процессы
Химический завод Химический реактор Процессы разделения
Аспекты
Теплопередача Массообмен Динамика жидкостей Разработка процесса Контроль над процессом Химическая термодинамика Инженерия реакций
Глоссарии
Глоссарий химии Глоссарий инженерии
Категория
v т е

В технике , физике и химии изучение явлений переноса касается обмена массой , энергией , зарядом , импульсом и угловым моментом между наблюдаемыми и изучаемыми системами . Хотя он основан на таких разнообразных областях, как механика сплошных сред и термодинамика, в нем большое внимание уделяется общности рассматриваемых тем. Перенос массы, количества движения и тепла имеет очень схожую математическую основу, и параллели между ними используются при изучении явлений переноса, чтобы провести глубокие математические связи, которые часто предоставляют очень полезные инструменты для анализа одной области, которые напрямую выводятся из другие.

Фундаментальный анализ всех трех подполей передачи массы, тепла и количества движения часто основан на простом принципе, согласно которому общая сумма изучаемых величин должна сохраняться системой и ее окружением. Таким образом, каждое из различных явлений, приводящих к переносу, рассматривается индивидуально с учетом того, что сумма их вкладов должна равняться нулю. Этот принцип полезен для расчета многих важных величин. Например, в механике жидкости обычно используется анализ переноса для определения профиля скорости жидкости, протекающей через жесткий объем.

Явления переноса широко распространены в инженерных дисциплинах. Некоторые из наиболее распространенных примеров транспортного анализа в инженерии можно увидеть в областях процессов, химии, биологии, ^[1] и машиностроения, но этот предмет является фундаментальным компонентом учебной программы во всех дисциплинах, так или иначе связанных с механикой жидкости. , теплопередача и массообмен . Теперь это считается частью инженерной дисциплины, такой же как термодинамика , механика и электромагнетизм .

Явления переноса охватывают все агенты физических изменений во Вселенной . Более того, они считаются фундаментальными строительными блоками, которые развили вселенную и которые ответственны за успех всей жизни на Земле . Однако объем здесь ограничен отношением явлений переноса к искусственно созданным системам . ^[2]

Обзор [ править ]

В физике , явление переноса являются всеми необратимыми процессами по статистической природе , вытекающие из случайного непрерывного движения молекул , в основном , наблюдается в жидкостях . Каждый аспект явления переноса основан на двух основных концепциях: законах сохранения и определяющих уравнениях . Законы сохранения, которые в контексте явлений переноса формулируются как уравнения неразрывности , описывают, как должна быть сохранена изучаемая величина. Материальные уравненияОпишите, как количество, о котором идет речь, реагирует на различные стимулы через транспорт. Яркие примеры включают закон теплопроводности Фурье и уравнения Навье – Стокса , которые описывают, соответственно, реакцию теплового потока на градиенты температуры и взаимосвязь между потоком жидкости и силами, действующими на нее. Эти уравнения также демонстрируют глубокую связь между явлениями переноса и термодинамикой , связь, которая объясняет, почему явления переноса необратимы. Почти все эти физические явления в конечном итоге связаны с поиском систем наинизшего энергетического состояния в соответствии спринцип минимума энергии . По мере приближения к этому состоянию они стремятся достичь истинного термодинамического равновесия , когда в системе больше нет движущих сил и прекращается перенос. Различные аспекты такого равновесия напрямую связаны с конкретным переносом: теплопередача - это попытка системы достичь теплового равновесия с окружающей средой, точно так же, как перенос массы и количества движения перемещает систему к химическому и механическому равновесию .

Примеры процессов переноса включают теплопроводность (перенос энергии), поток жидкости (перенос количества движения), молекулярную диффузию (перенос массы), излучение и перенос электрического заряда в полупроводниках. ^{[3] [4] [5] [6]}

Явления переноса имеют широкое применение. Например, в физике твердого тела движение и взаимодействие электронов, дырок и фононов изучаются в рамках «явлений переноса». Другой пример - биомедицинская инженерия , где интересными явлениями переноса являются терморегуляция , перфузия и микрофлюидика . В химической инженерии явления переноса изучаются при проектировании реакторов , анализе молекулярных или диффузионных механизмов переноса и металлургии .

На перенос массы, энергии и количества движения может влиять присутствие внешних источников:

• Запах рассеивается медленнее (и может усиливаться), если источник запаха остается.
• Скорость охлаждения твердого тела, проводящего тепло, зависит от того, применяется ли источник тепла.
• Сила тяжести , действующая на каплю дождя противодействует сопротивление или сопротивление , придаваемое окружающим воздухом.

Общность явлений [ править ]

Важным принципом в изучении явлений переноса является аналогия между явлениями .

Распространение [ править ]

Есть некоторые заметные сходства в уравнениях для переноса количества движения, энергии и массы ^[7], которые все могут переноситься посредством диффузии , как показано на следующих примерах:

• Масса: распространение и рассеивание запахов в воздухе является примером распространения массы.
• Энергия: теплопроводность твердого материала является примером распространения тепла .
• Импульс: сопротивление, которое испытывает капля дождя при падении в атмосферу, является примером диффузии импульса (капля дождя теряет импульс по отношению к окружающему воздуху из-за вязких напряжений и замедляется).

Уравнения молекулярного переноса закона Ньютона для количества движения жидкости, закона Фурье для тепла и закона Фика для массы очень похожи. Можно перейти от одного коэффициента переноса к другому, чтобы сравнить все три различных явления переноса. ^[8]

Сравнение диффузионных явлений

Перевезенное количество	Физическое явление	Уравнение
Импульс	Вязкость ( ньютоновская жидкость )	${\ displaystyle \ tau = - \ nu {\ frac {\ partial \ rho \ upsilon} {\ partial x}}}$
Энергия	Теплопроводность ( закон Фурье )	${\ displaystyle {\ frac {q} {A}} = - k {\ frac {dT} {dx}}}$
Масса	Молекулярная диффузия ( закон Фика )	${\ displaystyle J = -D {\ frac {\ partial C} {\ partial x}}}$

(Определения этих формул приведены ниже).

В литературе было уделено много внимания развитию аналогий между этими тремя транспортными процессами для турбулентного переноса, чтобы можно было предсказать один из других. Аналогия Рейнольдса предполагает , что турбулентные температуропроводности все равны и что молекулярные коэффициенты диффузия импульса (μ / ρ) и масс (D _AB ) пренебрежимо малы по сравнению с турбулентной диффузией. Когда присутствуют жидкости и / или присутствует сопротивление, аналогия недействительна. Другие аналогии, такие как аналогии фон Кармана и Прандтля , обычно приводят к плохим отношениям.

Наиболее успешной и широко используемой аналогией является аналогия J-фактора Чилтона и Колберна . ^[9] Эта аналогия основана на экспериментальных данных для газов и жидкостей как в ламинарном, так и в турбулентном режимах. Хотя он основан на экспериментальных данных, можно показать, что он удовлетворяет точному решению, полученному из ламинарного обтекания плоской пластины. Вся эта информация используется для прогнозирования переноса массы.

Взаимные отношения Онсагера [ править ]

В жидкостных системах, описываемых в терминах температуры , плотности вещества и давления , известно, что разница температур приводит к потокам тепла от более теплых частей системы к более холодным; аналогично, перепады давления приведут к перетоку вещества из областей с высоким давлением в области с низким давлением («взаимное отношение»). Примечательно то, что при изменении давления и температуры разница температур при постоянном давлении может вызвать поток вещества (как при конвекции) и перепады давления при постоянной температуре могут вызвать тепловой поток. Возможно, удивительно, что тепловой поток на единицу разности давлений и поток плотности (материи) на единицу разницы температур равны.

Это равенство было показано Ларсом Онзагером с использованием статистической механики как следствие обратимости времени микроскопической динамики. Теория, разработанная Онзагером, является гораздо более общей, чем этот пример, и способна рассматривать более двух термодинамических сил одновременно. ^[10]

Передача импульса [ править ]

При передаче импульса жидкость рассматривается как непрерывное распределение вещества. Изучение передачи импульса или механику жидкости можно разделить на две части: статика жидкости (жидкости в состоянии покоя) и динамика жидкости (жидкости в движении). Когда жидкость течет в направлении x параллельно твердой поверхности, жидкость имеет направленный x импульс, а ее концентрация равна υ _x ρ . За счет случайной диффузии молекул происходит обмен молекулами в z- направлении. Следовательно, направленный по оси x импульс был передан в направлении оси z от более быстро движущегося слоя к более медленному. Уравнение переноса импульса - это закон вязкости Ньютона, записанный следующим образом:

${\ displaystyle \ tau _ {zx} = - \ nu {\ frac {\ partial \ rho \ upsilon _ {x}} {\ partial z}}}$

где τ _zx - поток импульса в направлении x в направлении z, ν - это μ / ρ , коэффициент диффузии импульса, z - расстояние переноса или диффузии, ρ - плотность, а μ - динамическая вязкость. Закон Ньютона - это простейшее соотношение между потоком количества движения и градиентом скорости.

Массовый перенос [ править ]

Когда система содержит два или более компонентов, концентрация которых варьируется от точки к точке, существует естественная тенденция к переносу массы, сводя к минимуму любую разницу концентраций внутри системы. Массоперенос в системе регулируется Первым законом Фика : «Поток диффузии от более высокой концентрации к более низкой концентрации пропорционален градиенту концентрации вещества и коэффициенту диффузии вещества в среде». Перенос массы может происходить за счет разных движущих сил. Вот некоторые из них: ^[11]

• Масса может передаваться под действием градиента давления (диффузия давления)
• Принудительная диффузия происходит из-за действия некоторой внешней силы
• Диффузия может быть вызвана температурными градиентами (термодиффузия)
• Диффузия может быть вызвана различиями в химическом потенциале.

Это можно сравнить с законом диффузии Фика для вида A в бинарной смеси, состоящей из A и B:

${\displaystyle J_{Ay}=-D_{AB}{\frac {\partial Ca}{\partial y}}}$

где D - коэффициент диффузии.

Передача энергии [ править ]

Все инженерные процессы включают в себя передачу энергии. Некоторыми примерами являются нагрев и охлаждение технологических потоков, фазовые переходы, перегонка и т. Д. Основной принцип - это первый закон термодинамики, который для статической системы выражается следующим образом:

${\displaystyle q=-k{\frac {dT}{dx}}}$

Чистый поток энергии через систему равен проводимости, умноженной на скорость изменения температуры по отношению к положению.

Для других систем, которые включают турбулентный поток, сложную геометрию или сложные граничные условия, было бы проще использовать другое уравнение:

${\displaystyle Q=h\cdot A\cdot {\Delta T}}$

где A - площадь поверхности,: - движущая сила температуры, Q - тепловой поток в единицу времени, а h - коэффициент теплопередачи.${\displaystyle {\Delta T}}$

При теплопередаче могут возникать два типа конвекции:

• Принудительная конвекция может происходить как в ламинарном, так и в турбулентном потоке. В ситуации ламинарного течения в круглых трубах, несколько номеров безразмерных используются , такие как числа Нуссельта , числа Рейнольдса и число Прандтля . Обычно используется уравнение .${\displaystyle Nu_{a}={\frac {h_{a}D}{k}}}$

• Естественная или свободная конвекция является функцией чисел Грасгофа и Прандтля . Сложность свободно-конвективного теплопереноса требует в основном использования эмпирических соотношений из экспериментальных данных. ^[11]

Теплообмен анализируется в насадочных слоях , ядерных реакторах и теплообменниках .

Приложения [ править ]

Загрязнение [ править ]

Изучение процессов переноса важно для понимания выбросов и распространения загрязняющих веществ в окружающую среду. В частности, точное моделирование может дать информацию о стратегиях смягчения последствий. Примеры включают контроль загрязнения поверхностных вод городскими стоками и политику, направленную на снижение содержания меди в тормозных колодках транспортных средств в США ^{[12] [13]}

См. Также [ править ]

• Материальное уравнение
• Уравнение неразрывности
• Распространение волн
• Пульс
• Потенциал действия
• Передача биотепла

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Архив явлений переноса в Учебном архиве Пути электронной библиотеки материалов
• «Некоторые классические задачи о явлениях переноса с решениями - механика жидкости» .
• «Некоторые классические задачи о явлениях переноса с решениями - теплопередача» .
• «Некоторые классические задачи о явлениях переноса с решениями - массоперенос» .