Транспортные явления - Transport phenomena

В инженерное дело, физика и химия, изучение явления переноса касается обмена масса, энергия, обвинять, импульс и угловой момент между наблюдаемым и изученным системы. Хотя он опирается на такие разнообразные поля, как механика сплошной среды и термодинамика, в нем большое внимание уделяется общности затронутых 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 быть равна нулю. Этот принцип полезен для расчета многих важных величин. Например, в механике жидкости обычно используется транспортный анализ для определения профиль 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 таких областях, как химические, биологические и технологические процессы.^[1] и машиностроение, но этот предмет является фундаментальным компонентом учебной программы во всех дисциплинах, которые так или иначе связаны с механика жидкости, теплопередача, и массообмен. Сейчас это считается частью инженерной дисциплины в такой же степени, как и термодинамика, механика, и электромагнетизм.

Явления переноса охватывают всех агентов физическое изменение в вселенная. Более того, они считаются фундаментальными строительными блоками, которые развили Вселенную и которые ответственны за успех всей жизни на Земле. земной шар. Однако область применения здесь ограничивается отношением явлений переноса к искусственному инженерные системы.^[2]

Обзор

В физика, явления переноса все необратимые процессы из статистический природа проистекает из случайного непрерывного движения молекулы, в основном наблюдается в жидкости. Каждый аспект явления переноса основан на двух основных концепциях: законы сохранения, а основные уравнения. Законы сохранения, которые в контексте явлений переноса формулируются как уравнения неразрывности, опишите, как нужно сохранить исследуемую величину. В основные уравнения Опишите, 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, отклик поток горячего воздуха к температурные градиенты и отношения между поток жидкости и силы наносится на жидкость. Эти уравнения также демонстрируют глубокую связь между явлениями переноса и термодинамика, связь, которая объясняет, почему явления переноса необратимы. Почти все эти физические явления в конечном итоге связаны с системами, ищущими свое самое низкое энергетическое состояние в соответствии с принцип минимума энергии. По мере приближения к этому состоянию они стремятся достичь истинного термодинамическое равновесие, после чего в системе больше нет движущих сил и прекращается транспортировка. Различные аспекты такого равновесия напрямую связаны с конкретным транспортом: теплопередача это попытка системы достичь теплового равновесия с окружающей средой, так же как масса и импульсный перенос переместить систему в сторону химического и механическое равновесие.

Примеры транспортных процессов включают: теплопроводность (передача энергии), поток жидкости (передача импульса), молекулярная диффузия (массообмен), радиация и электрический заряд перенос в полупроводниках.^[3]^[4]^[5]^[6]

Явления переноса имеют широкое применение. Например, в физика твердого тела, движение и взаимодействие электронов, дырок и фононы изучаются в разделе «явления переноса». Другой пример - в биомедицинская инженерия, где интересующие нас явления переноса терморегуляция, перфузия, и микрофлюидика. В химическая инженерия, явления переноса изучаются в конструкция реактора, анализ молекулярных или диффузионных транспортных механизмов, и металлургия.

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.
В сила гравитации воздействие на каплю дождя противодействует сопротивлению или тащить переданный окружающим воздухом.

Общность явлений

Важным принципом в изучении явлений переноса является аналогия между явления.

Распространение

Есть некоторые заметные сходства в уравнениях для переноса импульса, энергии и массы.^[7] которые все можно транспортировать распространение, как показано на следующих примерах:

Масса: раскидистая и рассеяние запахов в воздухе является примером распространения массы.
Энергия: теплопроводность в твердом материале является примером распространение тепла.
Импульс: тащить падающая в атмосферу капля дождя является примером диффузия импульса (капля дождя теряет импульс по отношению к окружающему воздуху из-за вязких напряжений и замедляется).

Уравнения молекулярного переноса Закон Ньютона для движения жидкости, Закон Фурье для тепла, и Закон Фика по массе очень похожи. Из одного можно конвертировать коэффициент 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 бурный перенос, чтобы можно было предсказывать одно из других. В Аналогия Рейнольдса предполагает, что все турбулентные коэффициенты диффузии равны и что коэффициенты диффузии молекул по импульсу (μ / ρ) и массе (D_AB) пренебрежимо малы по сравнению с турбулентной диффузией. Когда присутствуют жидкости и / или присутствует сопротивление, аналогия недействительна. Другие аналогии, такие как фон Карман 'песок Прандтль х, обычно заканчивающиеся плохими отношениями.

Самая удачная и широко используемая аналогия - это Аналогия J-фактора Чилтона и Колберна.^[9] Эта аналогия основана на экспериментальных данных для газов и жидкостей как в ламинарный и турбулентные режимы. 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 Онзагера

В жидкостных системах, описанных в терминах температура, плотность материи, и давление, известно, что температура различия приводят к высокая температура перетекает из более теплых в более холодные части системы; аналогично, разница давлений приведет к иметь значение поток из областей высокого давления в области низкого давления («взаимозависимость»). Примечательно то, что при изменении давления и температуры разница температур при постоянном давлении может вызвать поток вещества (как в конвекция ) 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.

Необходимость этого равенства была показана Ларс Онсагер с помощью статистическая механика как следствие обратимость времени микроскопической динамики. Теория, разработанная Онзагером, является гораздо более общей, чем этот пример, и способна рассматривать более двух термодинамических сил одновременно.^[10]

Передача импульса

При передаче импульса жидкость рассматривается как непрерывное распределение вещества. Изучение передачи импульса, или механика жидкости можно разделить на две ветви: статика жидкости (жидкости в состоянии покоя) и динамика жидкостей (жидкости в движении). Когда жидкость течет в направлении x параллельно твердой поверхности, жидкость имеет направленный x импульс, и ее концентрация равна υ_Иксρ. За счет случайной диффузии молекул происходит обмен молекулами в z-направление. Следовательно, импульс в направлении оси x передается в направлении оси z от более быстро движущегося слоя к более медленному. Уравнение переноса импульса представляет собой закон вязкости Ньютона, записанный следующим образом:

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

куда τ_zx - поток импульса по оси x в направлении оси z, ν является μ/ρ, коэффициент диффузии по импульсу, z расстояние переноса или распространения, ρ это плотность, а μ - динамическая вязкость. Закон Ньютона представляет собой простейшее соотношение между потоком количества движения и градиентом скорости.

Массообмен

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. Массовый перенос в системе регулируется Первый закон Фика: «Диффузионный поток 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. 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)
Распространение может быть вызвано различиями в химический потенциал

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

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 относительно положения.

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

{ Displaystyle Q = час cdot A cdot { Delta T}}

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

При теплопередаче могут возникать два типа конвекции:

Принудительная конвекция может происходить как в ламинарном, так и в турбулентном потоке. В случае ламинарного течения в круглых трубках используется несколько безразмерных чисел, например Число Нуссельта, Число Рейнольдса, и Число Прандтля. Обычно используется уравнение ${ displaystyle Nu_ {a} = { frac {h_ {a} D} {k}}}$ .

Натуральный или свободная конвекция является функцией Grashof и Числа Прандтля. Сложность свободно-конвективного теплообмена требует в основном использования эмпирических соотношений из экспериментальных данных.^[11]

Теплообмен анализируется в упакованные кровати, ядерные реакторы и теплообменники.

Приложения

Загрязнение

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 сокращение медь содержание тормозных колодок транспортных средств в США^[12]^[13]

Смотрите также

внешняя ссылка

Архив явлений переноса в Учебном архиве пути к цифровой библиотеке 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».

[1] Труски, Джордж; Юань F; Кац Д. (2009). Явления переноса в биологических системах (Второе изд.). Прентис Холл. п. 888. ISBN 978-0131569881.

[J-L-Plawsky-2] Плавски, Джоэл Л. (апрель 2001 г.). Основы транспортных явлений (Серия «Химическая промышленность»). CRC Press. С. 1, 2, 3. ISBN 978-0-8247-0500-8.

[3] Плавски, Джоэл. "Основы явления переноса". Марсель Деккер Inc., 2009 г.

[4] Алонсо и Финн. «Физика». Аддисон Уэсли, 1992. Глава 18

[5] Дин, Уильям М. "Анализ явлений переноса". Издательство Оксфордского университета. 1998 г.

[6] Дж. М. Зиман, Электроны и фононы: теория явлений переноса в твердых телах (Oxford Classic Texts in the Physical Sciences)

[7] Велти, Джеймс Р .; Уикс, Чарльз Э .; Уилсон, Роберт Эллиотт (1976). Основы переноса количества движения, тепла и массы (2-е изд.). Вайли.

[8] «Томас, Уильям Дж.« Введение в явления переноса ». Прентис Холл: Верхняя река Седл, Нью-Джерси, 2000.

[9] Транспортные явления (1-е изд.). Нирали Пракашан. 2006. с. 15–3. ISBN 81-85790-86-8., Глава 15, с. 15-3

[onsager-10] Онсагер, Ларс (1931-02-15). «Взаимоотношения в необратимых процессах. I.» Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 37 (4): 405–426. Bibcode:1931ПхРв ... 37..405О. Дои:10.1103 / Physrev.37.405. ISSN 0031-899X.

[Griskey,_Richard_G_2006-11] а ^б «Гриски, Ричард Г.« Явления переноса и операции агрегата ». Wiley & Sons: Hoboken, 2006. 228-248.

[12] Мюллер, Александра; Эстерлунд, Хелен; Марсалек, Иржи; Викландер, Мария (2020-03-20). «Загрязнение, переносимое городскими стоками: обзор источников». Наука об окружающей среде в целом. 709: 136125. Bibcode:2020ScTEn.709m6125M. Дои:10.1016 / j.scitotenv.2019.136125. ISSN 0048-9697. PMID 31905584.

[13] Агентство по охране окружающей среды США, OW (10 ноября 2015 г.). «Инициатива по созданию тормозов без использования меди». Агентство по охране окружающей среды США. Получено 2020-04-01.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

Химическая инженерия темы
История	История химического машиностроения
Концепции	Единичные операции Единичные процессы Инженер-химик Химический процесс
Единичные операции	Передача импульса Теплопередача Массообмен
Единичный процесс	Химическая реакционная инженерия Химическая кинетика Моделирование химических процессов
ветви	Разработка процесса Динамика жидкостей Проектирование химического завода Химическая термодинамика Транспортные явления
Другие	Очерк химического машиностроения Указатель статей по химической технологии Образование для инженеров-химиков Список инженеров-химиков Список обществ химической инженерии Список симуляторов химических процессов
Категория Портал: Инженерия