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•力學能守恆:能量既不能被創造﹐也不能被消滅。能量守衡是物質運動的普遍規律之一。 •物質運動有各種不同的形式﹐如機械運動﹑熱﹑光﹑電﹑磁現象和化學變化等﹐它們之間能相互轉化。在轉化前後﹐作為物質運動度量的能量﹐其總和不變。當涉及高能量(如原子能)的變化問題時﹐按質能關係式＝(式中為能量﹔為質量﹔為光速)產生相應的質量變化。但是在化工生產過程中﹐一般不出現象核反應那樣的高能量變化﹐質量變化可以忽略。 •研究沿革 能量守恆的概念﹐在力學領域內早已為物理學家所證明。例如物體從高處自由落下時﹐物體的部分位能轉化成動能﹐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﹐這個守恆概念引伸到熱能﹐則經歷了二三百年之久。對於熱能﹐在歷史上有過種種錯誤的認識。從18世紀到19世紀中葉﹐自然科學界長期被熱質論所統治著。這種片面的理論認為物質中存在著一種流體﹐稱為熱質。將溫度差所引起的傳熱﹐視為熱質從高溫物體流向低溫物體﹔而摩擦生熱則認為是熱質釋放的結果。這個理論與許多實驗事實相矛盾。1798年朗福德研製炮筒﹐觀察到產生的熱量與鑽磨掉的金屬屑的量不成比例﹐而且﹐如果用鈍鑽頭繼續進行鑽磨﹐放出的熱量幾乎是無限的﹐這說明熱質不可能是一種物質。以後又經過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量實驗﹐人們逐步認識到熱質並不存在。熱的傳遞或轉化﹐與機械功及電功等的傳遞或轉化一樣﹐也是一種能量的傳遞或轉化﹐而在傳遞或轉化時﹐總能量恆定不變。這樣﹐能量守恆就在普遍的基礎上被確認。 •化工應用 根據能量守恆法則﹐可以建立能量衡算﹐它在科學技術領域中應用甚廣﹐在化工中尤為重要。 •系統與環境間的能量守恆 在化工生產過程中﹐系統與環境間有著能量的傳遞。由於溫度差而傳遞的能量稱為“熱量”﹐符號用﹐並規定系統吸熱為正值﹐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﹐並規定系統對環境做功為正值﹐得功為負值。例如﹐由於系統與環境之間存在壓力差﹐使系統體積膨脹而對環境做體積功﹐其值為正﹔反之﹐若使系統體積收縮﹐則所得的體積功為負值。又如由於系統產生的電動勢而發生的電流對環境做電功﹐為正值﹔系統接受外電壓所做電功則為負值。對於與環境沒有物質交換的封閉系統中進行的過程﹐按照能量守恆﹐可得以下關係﹕ +＝+ 或 ＝-＝- (1) 式中為內能﹐它是除了整個系統的動能與位能以外﹐系統內部一切形式能量的總和﹔與分別為初態和終態時的內能。式(1)就是熱力學第一定律的表達式﹐它揭示出過程的有關能量項目之間的關係。例如﹐氣體在膨脹過程中與外界環境間的熱交換量是難以用實驗測定的﹐而從式＝+ 可以較容易地求出。對於化工生產中常見的壓力恆定的恆壓過程﹐由式(1)可導得﹕ ＝-＝ (2) 式中為焓﹐它是內能以及壓力與體積的乘積之和﹐即=+。由式(2)可見﹐恆壓過程的熱交換量﹐只決定於終態與初態的焓差﹐與實際經歷的途徑無關。例如碳經過氧化變為二氧化碳﹐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。這些反應表示如下﹕ 根據式(2)可得=+﹐它使我們可以用易於測定的和﹐求得難以測定的碳被氧化為一氧化碳所放的熱。式(2)是封閉系統恆壓過程能量衡算的基本公式。 •連續流動中的能量守恆 在化工生產過程中﹐物料還經常在連續流動的情況下操作﹐例如連續蒸餾﹑連續反應過程﹑流體輸送﹑換熱等。並且在許多化工過程和設備中﹐不涉及除體積功以外的其他功。如果在物料連續流動的流速較慢﹑動能可忽略不計以及位能的變化也不大的情況下進行﹐則根據能量守恆法則﹐可得下列關係﹕ ++＝ ++ (3) 式中與分別為流入和流出物料的內能﹔與分別為在物料流入處和流出處的壓力﹔與分別為流入和流出物料的體積﹔是設備中能量的積累﹐能量增加時﹐為正值﹐減少時則為負值。如果是定態流動過程﹐系統中沒有物質和能量的積累﹐則＝0﹐於是﹕ ++＝+ 或 ＝-＝ (4) 式中與分別為流入和流出物料的焓。式(4)是定態流動過程熱量衡算的基本公式。 由於符合式(2)與式(4)條件的化工過程和設備很普遍﹐所以根據此兩式進行的熱量衡算在化工生產和設計計算中應用廣泛。