迁移现象
研究迁移现象是和观察及研究系统间质量能量和动量三者迁移有关的现象
在工程和物理中,研究迁移现象(Transport phenomena)是和观察及研究系统间质量,能量和动量三者迁移有关的现象。而研究的重点放在这三种迁移现象的相同性上。迁移现象有广泛的应用;例如,固体物理电子的运动和相互作用,空穴和声子是在迁移现象下研究的。生物医学工程则注重温度调节,灌注和微液体等。
基本信息
在物理中,迁移现象是由于分子连续混乱运动统计性质的不可逆过程。大多在液体内观察到。每种迁移现象都基于二种原始概念:守恒定律和组元相等。守恒定律描述研究的量如何在系统内必须守恒。组元相等描述迁移过程中各组元如何保持相等。突出的例包括傅利叶热导定律和粘性流动方程。它们各自描述热通量和温度梯度关系及液体通量与加到液体的力之间的关系。这些方程也证明了迁移现象和热力学的深层联系。一种联系解析了为何迁移现象是不可逆的。几乎所有这些物理现象都最后包含有系统寻求它们的最低能态以符合最小能量原理。由于这一点,系统无任何驱动力而迁移停止。这种平衡与各特别迁移有联系:热迁移是系统企图达到和它的环境热平衡。如同质量和动量迁移运动系统向化学和力学平衡运动一样。
迁移过程的例包括热导(能量迁移),液流(动量迁移),分子扩散(质量迁移),辐射和半导体内的电荷迁移。
迁移现象有广泛的应用。例如,固体物理电子的运动和相互作用,空穴和声子是在“迁移现象”下研究的。在生物医学工程的另一例子;有兴趣的迁移现象是:温度调节,灌注和微液体学。化学工程的迁移现象是研究反应设计,分子分析或扩散迁移机理。
质量,能量和动量迁移可受外部来源影晌:
有气味时,气味消散慢。
传导固体冷却率与是否用热源有关。
雨滴周围空气抵抗重力对雨滴牵引。
现象间的共性
研究迁移现象的重要原则是现象间的相似性:
扩散
动量,能量和质量迁移方程有显著相似性;它们都用扩散,如下列例子所表明:
质量:空气中气味的散开和耗散是质量扩散的例子
能量:固体材料中热导是热扩散例子
动量:受牵引雨滴落到大气时是动量扩散的例子(由于粘滞应力和减速,雨滴损失动量给周围空气)。
液体动量的牛顿分子迁移方程,傅利叶的热定律,菲克的质量定律是很相似的。为了比较这三种不同迁移现象,只要改变迁移系数,就可得另外的方程。
翁萨格倒易关系
用温度,质量密度和压力描述液体系统。已知,温度不同导致热从系统较热处流向较冷部份;类似的,压力不同导致质量从高压流到低压区域(一种“互补关系”)。当温度和压力都变时,会出现什么异常?压力不变时,温度不同会引起质量流(如对流),在温度恒定,压力不同可引起热流。奇异的是,压力不同的单位体积热流和温度不同的单位体积密度(质量)流是相等的。
昂萨格用统计力学方法得出微观动力学时间反转性的结果要求上述的相等关系。由昂萨格所发展的理论比这个例更通用;它一次可处理多过二个热力学力。
动量迁移
动量迁移时。液体作为连续分布物质处理。研究动量迁移,或液体力学可分为二分支:液体静力学和液体动力学;当液体流向平行一个固体表面x方向时,液体有x方向的动量,动量迁移可用牛顿粘滞定律描述。
质量迁移
如一系统含有二个或更多成份,它们的浓度从点到点改表,质量就有转移的自然趋势,以减少系统内任何浓度的不同。系统内质量迁移由Fick第一定律描述。从高浓度到低浓度扩散通量正比于物质浓度梯度和物质在介质中的扩散性。可有不同驱动力使质量迁移发生;其中有些如:
由于压力梯度作用使质量迁移。
外力作用,发生力的扩散。
由于温度梯度引起扩散。
能量迁移
工程中所有过程都包含有能量迁移。一些例有:蒸气冷和热过程,相变,蒸馏等。它的基本原理是热力学定律
参考资料
最新修订时间:2023-11-17 11:07
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