什么是能量守恒?

什么是能量守恒?

[拼音]：nengliang shouheng

[外文]：conservation of energy

能量既不能被创造，也不能被消灭。能量守衡是物质运动的普遍规律之一。物质运动有各种不同的形式，如机械运动、热、光、电、磁现象和化学变化等，它们之间能相互转化。在转化前后，作为物质运动度量的能量，其总和不变。当涉及高能量(如原子能)的变化问题时，按质能关系式E＝mc2（式中E为能量；m为质量；c为光速）产生相应的质量变化。但是在化工生产过程中，一般不出现象核反应那样的高能量变化，质量变化可以忽略。

研究沿革

能量守恒的概念，在力学领域内早已为物理学家所证明。例如物体从高处自由落下时，物体的部分位能转化成动能，因此位能逐渐减小，动能逐渐增大，但在同一瞬间，动能与位能的总和不变。然而，这个守恒概念引伸到热能，则经历了二三百年之久。对于热能，在历史上有过种种错误的认识。从18世纪到19世纪中叶，自然科学界长期被热质论所统治着。这种片面的理论认为物质中存在着一种流体，称为热质。将温度差所引起的传热，视为热质从高温物体流向低温物体;而摩擦生热则认为是热质释放的结果。这个理论与许多实验事实相矛盾。1798年朗福德研制炮筒，观察到产生的热量与钻磨掉的金属屑的量不成比例，而且，如果用钝钻头继续进行钻磨，放出的热量几乎是无限的，这说明热质不可能是一种物质。以后又经过H.戴维、J.R.迈尔、H.亥姆霍兹等的工作，特别是1840～1848年间J.P.焦耳所进行的热功当量实验，人们逐步认识到热质并不存在。热的传递或转化，与机械功及电功等的传递或转化一样，也是一种能量的传递或转化，而在传递或转化时，总能量恒定不变。这样，能量守恒就在普遍的基础上被确认。

化工应用

根据能量守恒法则，可以建立能量衡算，它在科学技术领域中应用甚广，在化工中尤为重要。

系统与环境间的能量守恒

在化工生产过程中，系统与环境间有着能量的传递。由于温度差而传递的能量称为“热量”，符号用Q，并规定系统吸热为正值，放热为负值。在除温度差以外的其他推动力的影响下所传递的能量则称为“功”，符号用D，并规定系统对环境做功为正值，得功为负值。例如，由于系统与环境之间存在压力差，使系统体积膨胀而对环境做体积功，其值为正；反之，若使系统体积收缩，则所得的体积功为负值。又如由于系统产生的电动势而发生的电流对环境做电功，为正值；系统接受外电压所做电功则为负值。对于与环境没有物质交换的封闭系统中进行的过程，按照能量守恒，可得以下关系：

U1+Q＝U2+W

或

ΔU＝U2-U1＝Q-W (1)

式中U为内能，它是除了整个系统的动能与位能以外，系统内部一切形式能量的总和;U1与U2分别为初态和终态时的内能。式(1)就是热力学第一定律的表达式，它揭示出过程的有关能量项目之间的关系。例如，气体在膨胀过程中与外界环境间的热交换量是难以用实验测定的，而从式Q＝ΔU+D 可以较容易地求出。对于化工生产中常见的压力恒定的恒压过程，由式(1)可导得：

ΔH＝H2-H1＝Q (2)

式中H为焓，它是内能以及压力p与体积V的乘积之和，即H=U+pV。由式(2)可见，恒压过程的热交换量，只决定于终态与初态的焓差，与实际经历的途径无关。例如碳经过氧化变为二氧化碳，可以是一步氧化，也可先氧化为一氧化碳再进一步氧化为二氧化碳。这些反应表示如下：

根据式(2)可得QpⅠ=QpⅡ+QpⅢ，它使我们可以用易于测定的QpⅠ和QpⅢ，求得难以测定的碳被氧化为一氧化碳所放的热QpⅡ。式(2)是封闭系统恒压过程能量衡算的基本公式。

连续流动中的能量守恒

在化工生产过程中，物料还经常在连续流动的情况下 *** 作，例如连续蒸馏、连续反应过程、流体输送、换热等。并且在许多化工过程和设备中，不涉及除体积功以外的其他功。如果在物料连续流动的流速较慢、动能可忽略不计以及位能的变化也不大的情况下进行，则根据能量守恒法则，可得下列关系：

U1+p1V1+Q＝U2+p2V2+ΔE (3)

式中U1与U2分别为流入和流出物料的内能;p1与p2分别为在物料流入处和流出处的压力;V1与V2分别为流入和流出物料的体积；ΔE是设备中能量的积累，能量增加时，ΔE为正值，减少时则为负值。如果是定态流动过程，系统中没有物质和能量的积累，则ΔE＝0，于是：

U1+p1V1+Q＝U2+p2V2

或

ΔH＝H2-H1＝Q (4)

式中H1与H2分别为流入和流出物料的焓。式(4)是定态流动过程热量衡算的基本公式。

由于符合式(2)与式(4)条件的化工过程和设备很普遍，所以根据此两式进行的热量衡算在化工生产和设计计算中应用广泛。