수송 현상

시리즈의 일부
화학 공학
개요 역사 색인
기초
산업 기사. 과정 유닛 조작 동력학 수송 현상
단위 프로세스
화학 공장 화학 반응기 분리 프로세스
양상
열전달 질량 전달 유체 역학 프로세스 설계 프로세스 관리 화학 열역학 반응 공학
용어집
화학 용어집 엔지니어링 용어집 A~L M~Z
카테고리
v t

공학, 물리학 및 화학에서, 수송 현상에 대한 연구는 관찰된 시스템과 연구된 시스템 사이의 질량, 에너지, 전하, 운동량 및 각 운동량의 교환에 관한 것이다.연속체 역학과 열역학처럼 다양한 분야에서 도출되지만, 다루는 주제 간의 공통점을 크게 강조합니다.질량, 운동량 및 열전달은 모두 매우 유사한 수학적 프레임워크를 공유하며, 이들 사이의 유사성은 종종 다른 분야에서 직접 파생된 한 분야를 분석하는 데 매우 유용한 수학적 연결을 도출하기 위해 교통 현상의 연구에서 이용된다.

질량, 열 및 운동량 전달의 세 가지 하위 분야 모두에 대한 기본 분석은 종종 시스템과 그 환경에 의해 연구되는 양의 총합이 보존되어야 한다는 단순한 원리에 기초한다.따라서, 운송으로 이어지는 다른 현상들은 기여도의 합계가 0이어야 한다는 것을 알고 각각 개별적으로 고려된다.이 원리는 많은 관련 수량을 계산할 때 유용합니다.예를 들어 유체역학에서 수송분석의 일반적인 용도는 단단한 체적을 통과하는 유체의 속도 프로파일을 결정하는 것입니다.

운송 현상은 엔지니어링 분야 전반에 걸쳐 어디서나 볼 수 있습니다.공학에서 운송 분석의 가장 일반적인 예는 프로세스, 화학, ^[1]생물 및 기계 공학 분야에서 볼 수 있지만, 이 과목은 유체 역학, 열 전달 및 질량 전달과 관련된 모든 분야에서 커리큘럼의 기본 구성요소입니다.그것은 이제 열역학, 역학, 전자기학만큼이나 공학 분야의 한 부분으로 여겨진다.

운송 현상은 우주의 물리적 변화의 모든 요인을 포괄한다.게다가 그것들은 우주를 발전시키고 지구상의 모든 생명체의 성공에 책임이 있는 기본적인 구성 요소로 여겨진다.그러나, 여기서의 범위는 인공 공학 시스템에 ^[2]대한 운송 현상의 관계로 제한된다.

개요

물리학에서 수송 현상은 대부분 유체에서 관찰되는 분자의 무작위 연속 운동에서 비롯된 모든 통계적 성질의 돌이킬 수 없는 과정이다.교통 현상의 모든 측면은 두 가지 주요 개념에 기초하고 있습니다: 보존 법칙과 구성 방정식입니다.운송 현상의 맥락에서 연속 방정식으로 공식화된 보존 법칙은 연구되는 양이 보존되어야 하는 방법을 설명합니다.구성 방정식은 문제의 양이 수송을 통해 다양한 자극에 어떻게 반응하는지를 기술한다.대표적인 예로는 푸리에의 열전도의 법칙과 나비에가 있다.–스톡스 방정식 - 온도 구배에 대한 열 플럭스의 반응과 유체 플럭스와 유체에 가해지는 힘 사이의 관계를 각각 설명합니다.이러한 방정식은 또한 운송 현상과 열역학 사이의 깊은 연관성을 보여주며, 이는 운송 현상이 돌이킬 수 없는 이유를 설명해준다.이러한 물리적 현상의 거의 대부분은 궁극적으로 최소 에너지 원리에 따라 최저 에너지 상태를 추구하는 시스템을 포함합니다.이 상태에 가까워지면 진정한 열역학적 평형을 이루는 경향이 있으며, 이 시점에서 시스템에 더 이상 구동력이 없고 운송이 중단됩니다.이러한 평형의 다양한 측면은 특정 운송과 직접 연결됩니다. 열 전달은 질량과 운동량 전달이 시스템을 화학적, 기계적 평형으로 이동시키는 것처럼 시스템이 환경과 열적 평형을 이루려는 시도입니다.

수송 프로세스의 예로는 ^[3][4][5][6]반도체에서의 열전도(에너지 전달), 유체 흐름(모멘텀 전달), 분자 확산(질량 전달), 방사선 및 전하 전달 등이 있습니다.

교통 현상의 적용 범위는 넓다.예를 들어, 고체 물리학에서 전자, 구멍, 포논의 움직임과 상호작용은 "수송 현상" 아래에서 연구된다.또 다른 예는 바이오메디컬 엔지니어링으로, 일부 운송 현상은 온도 조절, 관류 및 미세 유체 공학이다.화학 공학에서, 수송 현상은 원자로 설계, 분자 또는 확산 수송 메커니즘의 분석, 그리고 야금학에서 연구된다.

질량, 에너지 및 운동량의 전송은 외부 선원의 존재에 의해 영향을 받을 수 있습니다.

• 냄새의 근원이 남아 있을 때 냄새는 더 느리게 소멸됩니다(그리고 더 심해질 수도 있습니다).
• 열을 전달하는 고체의 냉각 속도는 열원 적용 여부에 따라 달라집니다.
• 빗방울에 작용하는 중력은 주변 공기의 저항이나 항력에 대항합니다.

현상간의 공통점

교통 현상을 연구하는 데 있어서 중요한 원칙은 현상 간의 유추이다.

확산

운동량, 에너지 및 질량^[7] 전달 방정식에는 다음과 같은 몇 가지 주목할 만한 유사점이 있습니다. 이들은 모두 확산에 의해 운반될 수 있습니다.

• 질량: 공기 중 악취의 확산과 방산은 대량 확산의 한 예입니다.
• 에너지: 고체 물질에서 열이 전도되는 것은 열 확산의 한 예입니다.
• 모멘텀: 비방울이 대기 중에 떨어질 때 발생하는 항력은 모멘텀 확산의 한 예입니다(비방울은 점성 응력을 통해 주변 공기로의 모멘텀을 잃고 감속합니다).

유체 운동량에 대한 뉴턴의 법칙, 열에 대한 푸리에의 법칙, 질량에 대한 픽의 법칙의 분자 전달 방정식은 매우 유사합니다.세 가지 다른 전송 현상을 모두 비교하기 위해 한 전송 계수를 ^[8]다른 전송 계수로 변환할 수 있습니다.

확산현상 비교

수송수량	물리적 현상	방정식
모멘텀	점성 (뉴턴 유체)	$(\displaystyle\displaystyle=-\nu)$
에너지	열전도 (푸리에의 법칙)	${\displaystyle {q}{A}}=-k{\frac {dT}{dx}}$
덩어리	분자 확산 (Fick의 법칙)	${\displaystyle J=-D{\frac C}{\partial x}}$

(이러한 공식의 정의는 다음과 같습니다).

문헌은 난류 전송을 위한 이들 세 가지 전송 과정 간의 유사성을 발전시키기 위해 많은 노력을 기울여 왔으며, 이는 다른 것들로부터 한 가지를 예측할 수 있게 한다.레이놀즈 유추는 난류 확산도가 모두 동일하며 운동량(μ/μ)과 질량(D_AB)의 분자 확산도는 난류 확산도에 비해 무시할 수 있다고 가정한다.액체가 존재하거나 끌림이 있는 경우, 유추는 유효하지 않습니다.von Karman's나 Frandtl's와 같은 다른 유사점들은 대개 나쁜 관계를 초래한다.

가장 성공적이고 널리 사용되는 유추는 칠튼과 콜번의 J-요인 ^[9]유추입니다.이 비유는 층계와 난류계 모두에서 기체와 액체에 대한 실험 데이터에 기초한다.실험 데이터에 근거하고 있지만, 평판상의 층류로부터 도출된 정확한 용액을 만족시키는 것을 알 수 있다.이 모든 정보는 질량 전달을 예측하는 데 사용됩니다.

온사저 호혜 관계

온도, 물질 밀도 및 압력의 관점에서 설명되는 유체 시스템에서는 온도 차이가 온열기에서 저온부로 열을 흐르게 하는 것으로 알려져 있습니다. 마찬가지로 압력 차이는 물질이 고압 영역에서 저압 영역으로 흐르게 하는("반복 관계")입니다.주목할 만한 것은 압력과 온도가 모두 변화할 때, 일정한 압력에서의 온도 차이는 물질 흐름을 일으킬 수 있고(대류에서와 같이), 일정한 온도에서의 압력 차이는 열 흐름을 일으킬 수 있다는 관찰입니다.놀랍게도 압력차 단위당 열 흐름과 온도차 단위당 밀도(물질) 흐름은 동일합니다.

이러한 동등성은 미시적 역학의 시간 가역성의 결과로 통계 역학을 사용하는 라스 온사거에 의해 필요한 것으로 나타났다.Onsager에 의해 개발된 이론은 이 예보다 훨씬 더 일반적이며 동시에 ^[10]두 개 이상의 열역학적 힘을 다룰 수 있습니다.

운동량 전달

운동량 전달에서 유체는 물질의 연속적인 분포로 처리된다.운동량 전달 또는 유체 역학의 연구는 유체 정역학(정지 상태의 유체)과 유체 역학(운동 중인 유체)의 두 가지 분기로 나눌 수 있습니다.유체가 고체표면과 평행하게 x방향으로 흐를 때 유체는 x방향 운동량을 가지며 그 농도는 θθ이다_x.분자의 무작위 확산에 의해 z방향으로 분자의 교환이 일어난다.따라서 x방향 운동량은 z방향으로 더 빠른 계층에서 더 느린 계층으로 전달되었습니다.운동량 전달 방정식은 다음과 같이 쓰여진 뉴턴의 점성 법칙입니다.

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

여기서 θ는_zx z방향의 x방향 운동량의 플럭스, θ는 μ/matrix, 운동량 확산도, z는 수송 또는 확산의 거리, θ는 밀도, μ는 동적 점도이다.뉴턴의 점성 법칙은 운동량의 흐름과 속도 구배 사이의 가장 단순한 관계이다.이것은 기호 ;의_zx 비상식적인 사용이라는 것을 주의하는 것이 유용할 수 있다. 즉, 지수는 고체 역학의 표준 사용법과 비교하여 반전되고 부호는 ^[11]반전된다.

질량 전달

시스템에 지점마다 농도가 다른 두 개 이상의 컴포넌트가 포함되어 있는 경우, 질량이 전달되는 자연스러운 경향이 있기 때문에 시스템 내의 농도 차이가 최소화됩니다.시스템에서의 질량 전달은 Fick의 제1법칙에 의해 제어된다: '높은 농도에서 낮은 농도로의 확산 플럭스는 물질의 농도 기울기와 매질 내 물질의 확산도에 비례한다.'다른 구동력으로 인해 질량 전달이 발생할 수 있습니다.그 중 몇 가지는 다음과 같습니다.^[12]

• 압력 구배(압력 확산)의 작용에 의해 질량이 전달될 수 있습니다.
• 일부 외부 힘의 작용으로 인해 강제 확산이 발생합니다.
• 확산은 온도 구배(열 확산)에 의해 발생할 수 있습니다.
• 확산은 화학 전위의 차이로 인해 발생할 수 있습니다.

이는 A와 B로 구성된 이원 혼합물의 종 A에 대한 Fick의 확산 법칙과 비교할 수 있다.

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

여기서 D는 확산도 상수입니다.

에너지 전달

엔지니어링의 모든 과정은 에너지 전달을 수반합니다.예를 들어 프로세스 스트림의 가열 및 냉각, 위상 변화, 증류 등이 있습니다.기본 원리는 열역학 제1법칙으로, 정적 시스템에 대해 다음과 같이 표현됩니다.

${\displaystyle q=-k420frac {dT}{dx}}$

시스템을 통과하는 에너지의 순 플럭스는 전도도에 위치에 대한 온도 변화율을 곱한 값과 같습니다.

난류, 복잡한 기하학 또는 어려운 경계 조건을 수반하는 다른 시스템의 경우, 다른 방정식을 사용하는 것이 더 쉬울 것이다.

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

여기서 A는 표면적, ${\displaystyle \delta }$ T$($ 스타일 ${Delta$T})는$$ 온도 구동력, Q는 단위 시간당 열 흐름, h는 열 전달 계수입니다.

열 전달 내에서 두 가지 유형의 대류가 발생할 수 있습니다.

• 강제 대류는 층류 및 난류 모두에서 발생할 수 있습니다.원형 튜브 내의 층류 상태에서는 Nusselt 번호, 레이놀즈 번호, Prandt 번호 등 몇 가지 무차원 번호가 사용됩니다.일반적으로 사용되는 방정식은 ${\displaystyle {Nu}_{}}$ ${\displaystyle a\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ D$$k { $displaystyle Nu$ _ { a } =$specfrac${ $h$_ { $a$} $D$ 입니다$.$

• 자연 대류 또는 자유 대류는 Grashof 및 Prandtl 수의 함수입니다.자유 대류 열 전달의 복잡성으로 인해 주로 실험 ^[12]데이터의 경험적 관계를 사용해야 한다.

열전달은 포장된 침대, 원자로 및 열교환기에서 분석된다.

적용들

오염

수송 프로세스의 연구는 환경으로의 오염물질의 방출과 분배를 이해하는 것과 관련이 있다.특히, 정확한 모델링은 완화 전략에 도움이 될 수 있습니다.도시 유출로 인한 지표수 오염의 통제와 미국 ^[13][14]내 차량 브레이크 패드의 구리 함량을 줄이기 위한 정책이 그 예다.

「 」를 참조해 주세요.

• 구성 방정식
• 연속 방정식
• 파동 전파
• 펄스
• 액션 퍼텐셜
• 생체 열전달

레퍼런스

외부 링크

• 자료 디지털 도서관 경로 교육 기록 보관소의 교통 현상 아카이브
• "Some Classical Transport Phenomena Problems with Solutions - Fluid Mechanics".
• "Some Classical Transport Phenomena Problems with Solutions - Heat Transfer".
• "Some Classical Transport Phenomena Problems with Solutions - Mass Transfer".