第三章分子扩散传质-1~3节.ppt

第三章第三章 分子扩散传质分子扩散传质第一第一 三节三节3.1 概述概述3.2 菲克第一定律扩散系数菲克第一定律扩散系数 3.2.1 菲克定律菲克定律 3.2.2 扩散系数扩散系数3.3扩散机理与扩散系数扩散机理与扩散系数 3.3.1固体中的扩散机理固体中的扩散机理 3.3.2液体中的扩散机理液体中的扩散机理 3.3.3气体的扩散机理气体的扩散机理 3.3.4气体通过多孔介质的扩散气体通过多孔介质的扩散3.1 概述概述 同导热一样，分子扩散传质是依靠分子的热运动来完成的物质同导热一样，分子扩散传质是依靠分子的热运动来完成的物质传输过程，在固体、液体、气体中均可以发生。传输过程，在固体、液体、气体中均可以发生。冶金中有许多过程有分子扩散传质在起作用如：冶金中有许多过程有分子扩散传质在起作用如：活性点活性点旧相旧相活性点活性点新相的形成及长大新相的形成及长大旧相旧相 铁矿石的还原过程中的未反应核模型铁矿石的还原过程中的未反应核模型 渣渣-钢界面反应钢界面反应 钢铁表面化学热处理钢铁表面化学热处理 淬火、退火等过程淬火、退火等过程以上的反应都是发生在固相内或两相界面上。以上的反应都是发生在固相内或两相界面上。扩散的动力：扩散的动力：浓度差。菲克定律认为分子扩散传质的动力是浓度梯浓度差。菲克定律认为分子扩散传质的动力是浓度梯度，但更基本的观点是化学势。过程发生的方向是化学势降低的方度，但更基本的观点是化学势。过程发生的方向是化学势降低的方向（吉布斯能减小）。向（吉布斯能减小）。只要存在浓度差，扩散是必然的，因为熵要增大。只要存在浓度差，扩散是必然的，因为熵要增大。但是要注意，分子热运动与浓度差无关，有无浓度差，分子都但是要注意，分子热运动与浓度差无关，有无浓度差，分子都有无规则的热运动，有无规则的热运动，无浓度差时无浓度差时，热运动是微观的，即微观上看，热运动是微观的，即微观上看，某个分子原子可能发生了位移，但是，宏观上看，各方概率相同，某个分子原子可能发生了位移，但是，宏观上看，各方概率相同，并无物质的传输。并无物质的传输。但当有浓度差存在时但当有浓度差存在时，情况就不同了，情况就不同了，A物质浓物质浓度大处向浓度低处传输通量与度大处向浓度低处传输通量与A浓度低处向浓度高处传输的物质通浓度低处向浓度高处传输的物质通量就不同了，不但微观上有物质传输，宏观上也有物流发生。量就不同了，不但微观上有物质传输，宏观上也有物流发生。定义：由于浓度梯度的存在，物质依靠分子热运动的作用，所产定义：由于浓度梯度的存在，物质依靠分子热运动的作用，所产生的质量传输，称为分子扩散传质。生的质量传输，称为分子扩散传质。3.2 菲克第一定律与扩散系数菲克第一定律与扩散系数3.2.1菲克扩散定律菲克扩散定律 1855年由菲克提出一个经验公式：浓度梯度作用下物质依靠年由菲克提出一个经验公式：浓度梯度作用下物质依靠分子运动的作用产生物质传输速率（扩散通量）与浓度梯度成正分子运动的作用产生物质传输速率（扩散通量）与浓度梯度成正比。数学表达式为比。数学表达式为注意与傅立叶定律的类似性注意与傅立叶定律的类似性DA表示组分表示组分A在混合物中的分子扩散系数（简称扩散系数在混合物中的分子扩散系数（简称扩散系数 m2/s）对理想气体对理想气体 PAV=nRT 带入菲克公式，便有气体中的扩散通量为：带入菲克公式，便有气体中的扩散通量为：(2)影响因素（主要有四个方面影响因素（主要有四个方面 3.2.2 扩散系数（分子扩散系数）扩散系数（分子扩散系数）(1)定义：扩散系数为物质的物理属性，表示扩散能力的大小。物定义：扩散系数为物质的物理属性，表示扩散能力的大小。物理意义为：浓度梯度为理意义为：浓度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的物质量。时，单位时间内通过单位面积的物质量。单位单位 m2/s.物质种类：扩散分子或原子直径越小，溶质与溶剂的结物质种类：扩散分子或原子直径越小，溶质与溶剂的结合力越小，则合力越小，则DA越大。越大。结构状态：主要是溶剂的结构状态。因为是扩散，所以结构状态：主要是溶剂的结构状态。因为是扩散，所以溶剂分子间的结合力越弱越有利于扩散分子（原子）的通溶剂分子间的结合力越弱越有利于扩散分子（原子）的通过。过。所以气体中：所以气体中：液体中：液体中：固体中：固体中：液体与固体的结合状态相近，故液体与固体的结合状态相近，故D液与液与D固有过渡，而固有过渡，而气体与液体的结合状态有突变，故气体与液体的结合状态有突变，故D气气与与D液液之间有突变。之间有突变。压力或浓度：扩散系数不是常数，不只是指它与物质种类物质压力或浓度：扩散系数不是常数，不只是指它与物质种类物质温度有关，也与浓度（压力）有关，也就是说，当物种状态温度确温度有关，也与浓度（压力）有关，也就是说，当物种状态温度确定后，定后，D 仍不是常数仍不是常数,只是可以近似看作与浓度只是可以近似看作与浓度(压力压力)无关而已无关而已.在气体中：在气体中：温度：扩散是分子热运动的结果。温度越高，分子运动动能越温度：扩散是分子热运动的结果。温度越高，分子运动动能越大，故温度越高，大，故温度越高，D越大越大 液体和固体中：液体和固体中：3.3 扩散机理与扩散系数扩散机理与扩散系数3.3.1 固体中的扩散机理（固体中的扩散机理（10-1410-10 m2/s）固体中的分子固体中的分子(原子原子)排列紧密，相互作用强烈，组分迁移比较困排列紧密，相互作用强烈，组分迁移比较困难，只有在温度较高的条件下才可观察出明显的扩散现象。对晶体难，只有在温度较高的条件下才可观察出明显的扩散现象。对晶体(金属或非金属金属或非金属)来说，有四种扩散机理来说，有四种扩散机理间隙式扩散间隙式扩散环圈式扩散环圈式扩散空位式扩散空位式扩散互换式扩散互换式扩散某些体心立方结构金属中，三四个原某些体心立方结构金属中，三四个原子组成一个环圈，从而可能发生旋转子组成一个环圈，从而可能发生旋转式的换位。这种扩散机理所消耗的能式的换位。这种扩散机理所消耗的能量比两个原子直接换位时要小的多，量比两个原子直接换位时要小的多，这种机理目前还缺乏直接证据，仅作这种机理目前还缺乏直接证据，仅作为一种假设。为一种假设。几种可能的扩散机理示意图几种可能的扩散机理示意图4间隙式扩散间隙式扩散2环圈式扩散环圈式扩散3空位式扩散空位式扩散1互换式扩散互换式扩散某些双组分子系统中固体扩散系数某些双组分子系统中固体扩散系数间隙元素在铁族物质中的互扩散系数P366367如前所述，固体中的扩散系数与温度的关系符合阿累尼乌斯公式如前所述，固体中的扩散系数与温度的关系符合阿累尼乌斯公式:D0：频率因子：频率因子 m2/s或叫标准状态下的扩散系数或叫标准状态下的扩散系数E：扩散活化能：扩散活化能 J/molR：气体常数：气体常数 8.3143J/mol.kT：绝对温度：绝对温度 K服从服从Arrhenius公式，表示该过程是一个热激活化过程。公式，表示该过程是一个热激活化过程。什么叫热激活化过程什么叫热激活化过程 假如某扩散过程的能垒为假如某扩散过程的能垒为E。受热后分子热运动动能增加，某。受热后分子热运动动能增加，某些分子些分子(原子原子)可以跃过这能垒，从而完成扩散，温度越高活化可以跃过这能垒，从而完成扩散，温度越高活化分子分子(原子原子)就越多。就越多。3.3.2 液体中的扩散机理（液体中的扩散机理（10-1010-9 m2/s）液体虽属于流体，但绝大多数液体的密度更接近于固体的密度液体虽属于流体，但绝大多数液体的密度更接近于固体的密度,这说明液体内的分子间的相互作用与固体相近。这说明液体内的分子间的相互作用与固体相近。由表由表13-68可知，大多数液体扩散系数非常接近，在可知，大多数液体扩散系数非常接近，在 左右。这表示物种影响不大，主要是物态和温度。左右。这表示物种影响不大，主要是物态和温度。特别强调的是液体中的扩散与粘度特别强调的是液体中的扩散与粘度B有关。因此，火法冶金过有关。因此，火法冶金过程中，特别重视熔体粘度的作用。程中，特别重视熔体粘度的作用。多数流体的扩散系数与固体一样服多数流体的扩散系数与固体一样服Arrhenius公式，表明其扩散公式，表明其扩散也是一个热激活化过程。也是一个热激活化过程。液态金属中的自扩散系数液态金属中的自扩散系数液态二元有色冶金中的互扩散系数液态二元有色冶金中的互扩散系数3.3.3 气体的扩散机理（气体的扩散机理（10-510-4 m2/s）气体中分子总是处于不停顿的热运动状态，而且分子间的相互气体中分子总是处于不停顿的热运动状态，而且分子间的相互作用力比固体、液体要小得多，因此其扩散系数作用力比固体、液体要小得多，因此其扩散系数D要大得多。另外要大得多。另外与固体相比，各种气体的与固体相比，各种气体的D非常接近，物种影响小，而温度、物态非常接近，物种影响小，而温度、物态影响大。影响大。还有，从物态上说，固还有，从物态上说，固液，分子作用力减小，但没有突变，液，分子作用力减小，但没有突变，因此，因此，D相近：而液相近：而液气，分子作用力减小有突变，因此，气，分子作用力减小有突变，因此，D 的数的数量级有跃迁量级有跃迁。3.3.4 气体通过多孔介质的扩散气体通过多孔介质的扩散 冶金中有许多这种扩散实例。如球团矿、烧结矿、矿石的还冶金中有许多这种扩散实例。如球团矿、烧结矿、矿石的还原过程，都是气体通过多孔介质扩散的。原过程，都是气体通过多孔介质扩散的。气相通过多孔介质的扩散机理有两种不同的分子扩散。气相通过多孔介质的扩散机理有两种不同的分子扩散。(1)普通扩散：多孔介质的毛细孔径远大于分子平均自由程普通扩散：多孔介质的毛细孔径远大于分子平均自由程 ，一，一般是般是 时，扩散分子的碰撞主要是分子间的碰撞，时，扩散分子的碰撞主要是分子间的碰撞，与孔壁碰撞的机会少得多，这时孔内扩散可按一般扩散定律计算，与孔壁碰撞的机会少得多，这时孔内扩散可按一般扩散定律计算，但其有效扩散系数要加以修正。但其有效扩散系数要加以修正。(2)纽特逊（纽特逊（Knudsen，也译克努雷、努森）扩散：，也译克努雷、努森）扩散：时，碰撞多发生在分子与孔壁之间，其扩散系时，碰撞多发生在分子与孔壁之间，其扩散系数可由下式确定：数可由下式确定：求得的求得的DKP也要修正，修正后的纽特逊扩散系数为：也要修正，修正后的纽特逊扩散系数为：多孔介质中的纽特逊扩散和流动多孔介质中的纽特逊扩散和流动石英玻璃上石英玻璃上5次试验的平均值次试验的平均值在过渡区域内得到的数据。在过渡区域内得到的数据。若若 与与 2r 相近，可以用下式计算：相近，可以用下式计算：或比较或比较 ，当当 时，说明时，说明 起起限制性作用，即普通扩散为限制性环节，反之则纽特逊限制性作用，即普通扩散为限制性环节，反之则纽特逊 扩扩散为限制性环节。散为限制性环节。