Тема 2: масообмін Поняття масообміну, чим він викликається, аналогія до інших процесів переносу. Фазові стани в яких може відбуватись масообмін.

Процес масообміну тісно пов'язаний з процесом тепломасообміном. Наприклад одна третя теплових втрат людини у спокійному стані припадає на процес випаровування, тобто масообміну. З іншого боку процес масообміну слід відрізняти від процесу об’ємного руху рідини.

Об’ємний рух має рушійною силою перепад тиску в той час як процес масообміну рушійною силою має різниця концентрації.

(концентрація – кількість речовини в одиницю об’єму) .

Напрямок масообміну в сторону меншої концентрації.

– градієнт концентрації;

Наявна аналогія цього рівняння з законом Фур’є або закон Ома у математичній формі запису.

Проілюструємо процес дифузії або масообміну.

В результаті різниці концентрацій азот переміщується з лівої частини у праву, кисень з правої у ліву.З часом у всьому об’ємі встановиться гомогенна суміш азоту і кисню.

Фактори від яких залежатиме процес дифузії:

Фактори зіткнення молекул одного виду можна не враховувати, вона не суттєво впливає на дифузію. У випадку зіткнення молекул різного роду цей фактор буде суттєвим через те що, молекули будуть мати різні розміри, і різну масу. Відповідно дифузійним процес переважатиме для більш важких молекул.

Температурний фактор ( суттєво залежить). Чим вища температура, тим швидша дифузія. Масообмін або дифузія відбудеться не тільки в газах але і в рідинах, твердих тілах.

Приклад: чашка з водою, яка з часом випаровується (рідинно-газовий масообмін)

Тверде тіло: сухий – твердий газ. (морозиво)

Відстань між молекулами. Чим більша ця величина тим вищий рівень дифузії. Очевидно. Дифузія в газах відбувається швидше ніж дифузія в рідині чи в твердих тілах.

Коефіцієнт дифузії в газах вищий на декілька порядків.

Аналогія між тепломасообміном

Між процесами тепло і масообміном існує глибока аналогія, хоч і ці процеси на І погляд різні.

Рушійною силою в тепломасообміні: різниця температур;

Рушійною силою в масообміні: різниця концентрації;

Аналізуючи один з цих процесів можна більше зрозуміти інший фізичний процес. Зокрема знання процесу масообміну допомагає нам краще зрозуміти процес тепло масообміну. Якщо розглядати теплоту як окрему субстанцію яка немає маси і якою користувались ХІХ ст. (калорична теорія теплоти, тепловодна теорія теплоти – вона невірна у фізичному сенсі) але вона допомагає відчути аналогію між масо і теплообміном.

З іншого боку кінетична теорія теплоти говорить про те що, теплота це форма енергії, а маса це з рештою теж енергія (теорія Ейнштейна )

Температура

Рушійна силу тепломасообміну – різниця температур; масообміну – різниця концентрацій.

Ми можемо розглядати температуру як міру теплової концентрації . Область з вищою температурою, це буде область з вищою тепловою концентрацією.

Тепло і масо провідність.

Основні механізми тепломасообміну: теплопровідність, конвекція, променевий теплообмін.

Основні мех. масообміну: дифузійний масообмін , конвективний масообмін (поняття масової радіації немає).

Величина теплового потоку в напрямку пропорційна температурному градієнту і виражається законом Фур’є.

Величина потоку маси, або величина дифузійного потоку хімічного компоненту А у дифузійній речовині АВ в напрямку пропорційна концентраційному коефіцієнту і виражається законом Фіка ( або закон дифузії) .

– коефіцієнт дифузії;

– концентрація компонента А у суміші АВ.

Аналогія між теплопровідністю і дифузійним масообміном.

Теплоутворення.

Мається на увазі теплоутворення хімічна. Ядерна енергія у власну теплову енергію. Так теплоутворення виражає у збільшенні температури, в якій відбувається.

Такий вид теплоутворення супроводжується процес теплообміну. Аналогією до цього процесу можна поставити хімічні реакції. Які відбуваються під дією масообміну і результатом яких є поява нових компонентів, речовин. Такі реакції мають назву гомогенні і вони є аналогією до теплогенерації. Можуть відбуватись рації на поверхні речовини, ця поверхня є між фазною, відповідно реакція називається гетерогенною. Гетерогенні реакції є аналогією до питомого поверхневого теплового потоку.

Конвекція.

Для процесу теплообміну конвективний механізм можна розглядати як такий, що включає теплопровідність ( молекулярну дифузію і об’ємний рух рідини ). Якщо останнього немає, то конвекція народжується в теплопровідність.

За аналогією масова конвекція або конвективний масообмін є механізм масопередачі , який складається з масової дифузії і об’ємного руху речовин.

У конвективному масообміні можна визначити концентраційний граничний шар, який буде аналогічний температурному граничному шару, і буде оцінюватись своїми аналогіями (Ньюсельт, Прантель) .

Закон Ньютона-Ріхмана (теплова конвекція)

Масова конвекція