能量守恒conservation of energy
研究沿革 能量守恒的概念，在力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)早已為物理學(xué)家所證明。例如物體從高處自由落下時，物體的部分位能轉(zhuǎn)化成動能，因此位能逐漸減小，動能逐漸增大，但在同一瞬間，動能與位能的總和不變。然而，這個守恒概念引伸到熱能，則經(jīng)歷了二三百年之久。對于熱能，在歷史上有過種種錯誤的認識。從18世紀到19世紀中葉，自然科學(xué)界長期被熱質(zhì)論所統(tǒng)治著。這種片面的理論認為物質(zhì)中存在著一種流體，稱為熱質(zhì)。將溫度差所引起的傳熱，視為熱質(zhì)從高溫物體流向低溫物體;而摩擦生熱則認為是熱質(zhì)釋放的結(jié)果。這個理論與許多實驗事實相矛盾。1798年朗福德研制炮筒，觀察到產(chǎn)生的熱量與鉆磨掉的金屬屑的量不成比例，而且，如果用鈍鉆頭繼續(xù)進行鉆磨，放出的熱量幾乎是無限的，這說明熱質(zhì)不可能是一種物質(zhì)。以后又經(jīng)過H.戴維、J.R.邁爾、H.亥姆霍茲等的工作，特別是1840～1848年間J.P.焦耳所進行的熱功當(dāng)量實驗，人們逐步認識到熱質(zhì)并不存在。熱的傳遞或轉(zhuǎn)化，與機械功及電功等的傳遞或轉(zhuǎn)化一樣，也是一種能量的傳遞或轉(zhuǎn)化，而在傳遞或轉(zhuǎn)化時，總能量恒定不變。這樣，能量守恒就在普遍的基礎(chǔ)上被確認。
化工應(yīng)用 根據(jù)能量守恒法則，可以建立能量衡算，它在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用甚廣，在化工中尤為重要。
系統(tǒng)與環(huán)境間的能量守恒 在化工生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)與環(huán)境間有著能量的傳遞。由于溫度差而傳遞的能量稱為“熱量”，符號用Q，并規(guī)定系統(tǒng)吸熱為正值，放熱為負值。在除溫度差以外的其他推動力的影響下所傳遞的能量則稱為“功”，符號用D，并規(guī)定系統(tǒng)對環(huán)境做功為正值，得功為負值。例如，由于系統(tǒng)與環(huán)境之間存在壓力差，使系統(tǒng)體積膨脹而對環(huán)境做體積功，其值為正；反之，若使系統(tǒng)體積收縮，則所得的體積功為負值。又如由于系統(tǒng)產(chǎn)生的電動勢而發(fā)生的電流對環(huán)境做電功，為正值；系統(tǒng)接受外電壓所做電功則為負值。對于與環(huán)境沒有物質(zhì)交換的封閉系統(tǒng)中進行的過程，按照能量守恒，可得以下關(guān)系：
U1+Q＝U2+W
或ΔU＝U2-U1＝Q-W (1)
式中U為內(nèi)能，它是除了整個系統(tǒng)的動能與位能以外，系統(tǒng)內(nèi)部一切形式能量的總和;U1與U2分別為初態(tài)和終態(tài)時的內(nèi)能。式(1)就是熱力學(xué)第一定律的表達式，它揭示出過程的有關(guān)能量項目之間的關(guān)系。例如，氣體在膨脹過程中與外界環(huán)境間的熱交換量是難以用實驗測定的，而從式Q＝ΔU+D 可以較容易地求出。對于化工生產(chǎn)中常見的壓力恒定的恒壓過程，由式(1)可導(dǎo)得：ΔH＝H2-H1＝Q (2)
式中H為焓，它是內(nèi)能以及壓力p與體積V的乘積之和，即H=U+pV。由式(2)可見，恒壓過程的熱交換量，只決定于終態(tài)與初態(tài)的焓差，與實際經(jīng)歷的途徑無關(guān)。例如碳經(jīng)過氧化變?yōu)槎趸?，可以是一步氧化，也可先氧化為一氧化碳再進一步氧化為二氧化碳。這些反應(yīng)表示如下：
連續(xù)流動中的能量守恒 在化工生產(chǎn)過程中，物料還經(jīng)常在連續(xù)流動的情況下操作，例如連續(xù)蒸餾、連續(xù)反應(yīng)過程、流體輸送、換熱等。并且在許多化工過程和設(shè)備中，不涉及除體積功以外的其他功。如果在物料連續(xù)流動的流速較慢、動能可忽略不計以及位能的變化也不大的情況下進行，則根據(jù)能量守恒法則，可得下列關(guān)系：
U1+p1V1+Q＝U2+p2V2+ΔE (3)
式中U1與U2分別為流入和流出物料的內(nèi)能;p1與p2分別為在物料流入處和流出處的壓力;V1與V2分別為流入和流出物料的體積；ΔE是設(shè)備中能量的積累，能量增加時，ΔE為正值，減少時則為負值。如果是定態(tài)流動過程，系統(tǒng)中沒有物質(zhì)和能量的積累，則ΔE＝0，于是：U1+p1V1+Q＝U2+p2V2
或ΔH＝H2-H1＝Q (4)
式中H1與H2分別為流入和流出物料的焓。式(4)是定態(tài)流動過程熱量衡算的基本公式。由于符合式(2)與式(4)條件的化工過程和設(shè)備很普遍，所以根據(jù)此兩式進行的熱量衡算在化工生產(chǎn)和設(shè)計計算中應(yīng)用廣泛。
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