题目

在分子扩散中，单向扩散与等分子反向扩散相比要考虑总体流动的影响。在总体流动的存在下，扩散速率将 ____ （增大、减小、不变、不确定）；在 ____ 的情况下可不考虑总体流动的影响。

在分子扩散中，单向扩散与等分子反向扩散相比要考虑总体流动的影响。在总体流动的存在下，扩散速率将 ____ （增大、减小、不变、不确定）；在 ____ 的情况下可不考虑总体流动的影响。

题目解答

答案

分析：

  1. 总体流动的影响：在单向扩散中，总体流动（如流体的宏观运动）会增强扩散速率，因为流动带动扩散组分移动，导致传质通量增加。

  2. 等分子反向扩散：此时无总体流动，扩散速率仅由浓度梯度驱动，不受流动影响。

  3. 结论：总体流动存在时，单向扩散速率增大；当无总体流动（如等分子反向扩散）时，无需考虑总体流动的影响。

答案： 增大;无总体流动

解析

本题考查分子扩散中单向扩散与等分子反向扩散的特点以及总体流动对扩散速率的影响。解题思路如下：

  1. 分析总体流动对单向扩散速率的影响：
    • 在单向扩散过程中，存在着一种组分从高浓度区域向低浓度区域的扩散，同时由于这种扩散会引起系统内物质的不均匀分布，从而产生总体流动。总体流动就像是一种额外的“助力”，它会带动扩散组分朝着扩散方向移动。
    • 从传质通量的角度来看，传质通量 $J_A$ 由两部分组成，一部分是由于浓度梯度引起的扩散通量 $J_{A1}=-D\frac{\partial c_A}{\partial z}$（其中 $D$ 是扩散系数，$c_A$ 是组分 $A$ 的浓度，$z$ 是扩散方向的坐标），另一部分是由于总体流动引起的通量 $J_{A2}=u c_A$（其中 $u$ 是总体流动的速度）。所以总的传质通量 $J_A = J_{A1}+J_{A2}=-D\frac{\partial c_A}{\partial z}+u c_A$。
    • 与等分子反向扩散（无总体流动，传质通量仅为 $J_{A1}=-D\frac{\partial c_A}{\partial z}$）相比，单向扩散中由于总体流动的存在，使得传质通量增大，而扩散速率与传质通量相关，所以扩散速率增大。
  2. 确定可不考虑总体流动影响的情况：
    • 当系统中不存在总体流动时，就不会有总体流动对扩散的额外影响。等分子反向扩散就是这种情况，在等分子反向扩散中，两种组分以相同的速率、相反的方向进行扩散，系统内物质的总量保持不变，不会产生宏观的总体流动。所以在无总体流动（如等分子反向扩散）的情况下，可不考虑总体流动的影响。