為在環境的作用下，系統從一個平衡狀態變化到另一個平衡狀態的過程。在化工熱力學中，對熱力學過程的描述包括系統狀態的變化、經歷的途徑以及系統與環境間能量的交換。在實際過程中，系統所經歷的一系列狀態一般都是不平衡狀態，如果所經歷的狀態都無限接近於平衡狀態，並且沒有摩擦，則為可逆過程。可逆過程是實際過程所能趨近的極限。
基本介紹
- 中文名：熱力學過程
- 外文名：thermodynamic process
- 簡稱：熱力過程
- 條件：空間固定且絕熱
- 套用領域：化工生產
- 學科：熱力學
介紹,分類,等容過程,等壓過程,等溫過程,絕熱過程,多變過程,套用,化工生產,製冷循環,熱泵循環,
介紹
熱力學過程的定義是一個熱力學系統由開始到完結的狀態中所涉及的能量轉變。在過程中，路徑會因為受到某一些熱力學的變數要保持常數而變得指定，以下將以共軛對來對熱力學過程進行解說，因為當其中一個變數設為常數時，剛好是另一個的共軛對。
熱力學過程
熱力學過程首先，壓力和容量是其中一個共軛對。因為兩者都涉及以傳送機械能或動能形式的作功。
在過程中，當壓力維持是常數時，稱為等壓過程。例子：在一個圓筒中有一個可動的活塞，從而令到在系統在與大氣壓力隔絕的情況下仍能保持一致。即是，系統在動能上透過一個可動的空間連結在一起，以達致一個等壓的貯存器。 相對地，當一個系統的容量維持是常數時，稱為等容過程，代表該系統對外圍沒有任何作功。對於一個二維空間，所有的從外來的熱能量傳送將直接被系統所吸收作為內能。例子：當燃燒一個密封的鐵罐內的空氣。在最初的時候，鐵罐並沒有變形（容量不變），但從系統的溫度和氣壓上升，可以結論氣體的內能有所增加，這亦是唯一的改變。 數學上，δQ = dU。這個系統可以說上動能上被一個固定的空間從外圍所隔絕。
熱力學過程
熱力學過程另一組的共軛對是溫度和熵。皆因兩者都有透過加熱來傳送熱能。
通常所遇到的熱力學過程有：
等溫過程，系統的始態和終態的溫度與環境溫度相同， 且環境溫度不變的過程。在變化過程中系統溫度不一定恆定。
等壓過程，系統的始態和終態的壓力與環境壓力相等， 且環境壓力為一恆定值的過程。在變化過程中系統的壓力不一定恆定。
等容過程，系統的始態和終態體積相等的過程， 即ΔV=0。
絕熱過程，系統與環境之間用絕熱壁隔開， 此時系統中所進行的過程稱為絕熱過程。
循環過程，系統經一系列變化後又回到原來狀態的過程。
分類
實際的熱力過程比較複雜，概括起來，可歸納為以下四個基本過程和一個多變過程。實際過程可看作是它們的組合。
熱力學過程
熱力學過程所有的熱力學過程都假設在兩個空間之中沒有任何粒子滲透。假設兩個空間都是固定而絕熱的，但是可以對於多過一種粒子進行滲透。同樣的考慮可以套用在化學勢和粒子數目的共軛對。
等容過程
其特徵是系統的體積為常數。對於等容過程，如果系統和環境間除膨脹功以外，沒有其他功的交換，則：
W=0，Q=ΔU
熱力學過程
熱力學過程對於無相變化和化學變化的等容過程： Q=ΔU=nCv(T2-T1)
式中Q為熱能，系統吸熱為正，放熱為負；W 為功,作功為正,得功為負；U是系統的內能；Cv是平均定容摩爾熱容；n是摩爾數。
等壓過程
其特徵是系統的壓力為常數。對於等壓過程如果系統與環境間除膨脹功外無其他功的交換，則： W=p(V2-V1),Q=ΔH=H2-H1=nCp(T2-T1)
式中H為系統的焓，H=U+pV；Cp為平均定壓摩爾熱容。
等溫過程
其特徵是系統的溫度為常數。如果是可逆等溫過程，則： Q=TΔS=T(S2-S1)，W=Q-ΔU=TΔS-ΔU
式中S為系統的熵。如果是理想氣體的等溫膨脹（或壓縮）過程，系統的狀態變化滿足pV=常數。
等溫過程，顧名思義，在過程中溫度保持不變。例子：當貯存器的容量足夠大，或者是改變容量的過程足夠慢，被浸在一個恆溫水池等等。換句話說，這個系統在溫度被一個可傳熱的空間連結在一起。 在過程中，系統的淨能量沒有因為加熱或冷卻而有所改變，稱為絕熱過程。對於一個可逆的過程，這與等熵過程一樣。我們可說這個系統因為一個絕緣的空間在熱能上與外圍隔絕。留意的是，如果一個系統中的熵未達到最高的平衡數值，那么熵的值在系統縱使在熱能上被隔絕仍會一直增加。 一個等熵過程就是熵的數值一直是常數。對於一個可逆的過程，這與絕熱過程一樣。如果一個系統中的熵未達到最高的平衡數值時，對該系統進行冷卻便可能需要維持熵的數值不變。 任何熱力學勢都可能在過程中保持常數， 例如：在一個等焓過程中，焓保持不變。
熱力學過程
熱力學過程絕熱過程
其特徵是系統與環境間無熱交換，因此： W=-ΔU
如果是理想氣體的可逆絕熱膨脹（或壓縮）過程，系統的狀態變化滿足pV=常數γ，式中γ=cp/cv,即定壓比熱容cp與定容比熱容cv之比，稱為比熱容比。
多變過程
在許多實際過程中，經驗表明，系統的狀態變化近似地遵循下述規律： pV=常數m
熱力學過程
熱力學過程式中 m為多變指數，這類過程稱為多變過程。引入多變過程的概念可使數學處理簡化，但是此式只能在經過檢驗的範圍內使用。當m取特定的數值時,這一多變過程可轉化為上述各種基本過程。例如m=0，則p=常數,即轉化為等壓過程；m=1,pV=常數,即為理想氣體的等溫過程；m=γ，即轉化為理想氣體的可逆絕熱過程。在多數情況下，m=1.2～1.5。
套用
化工生產
化工生產中套用熱力過程的作用：
①使原料、中間產品和產品完成預期的狀態變化，以滿足後續工序加工和產品使用的要求，例如在合成氨工廠中，氮氫混合氣進入合成塔前，必須經過壓縮，將氣體壓力升高到合成塔的操作壓力。②實現能量的傳遞和轉化，以滿足某種過程的需要，並有效地利用能量。例如通過熱力過程循環把合成氨廠中各種工藝餘熱轉化為機械功。
化工生產中常用的熱力過程如下：
（1）流體的壓縮過程，這是流體的升壓過程，其目的是供給能量以克服流體輸送過程中受到的阻力，或滿足後續工序的要求。氣體壓縮過程的功耗，可用壓縮機的等熵效率估算，也可用壓縮機的等溫效率估算。
（2）流體的膨脹過程，這是流體的降壓過程。流體膨脹的目的：①降低流體的壓力，以適應後續工序的需要。如鍋爐的蒸汽壓力高於用汽設備的使用壓力時，降壓才能使用。②降低氣體的溫度，以獲得低溫或使氣體液化，如製冷和深度冷凍時的氣體降壓。③通過降壓釋放能量，對外作功，如蒸汽通過汽輪機(透平)噴嘴降壓後，動能增加，推動葉輪旋轉並輸出軸功。流體膨脹過程的可逆軸功是流體從p1膨脹到p2時可回收的最大有用功，為： 氣體和液體都可通過節流閥實現膨脹，但這時可逆軸功被耗散為無效能。當氣體和液體分別在膨脹機和水輪機中膨脹時，可以回收部分有用功。膨脹機和水輪機的輸出軸功，可由等熵效率估算： WS=ηS(-ΔHS)也可用等溫效率估算： 式中ηS和ηT分別為膨脹機或水輪機的等熵效率和等溫效率。
熱力學過程
熱力學過程（3）蒸汽動力循環，利用工作介質的循環變化將熱能轉化為機械能的過程。最簡單的蒸汽動力循環是蘭金循環。液態工作介質在鍋爐吸熱而蒸發成為過熱蒸汽，再經透平膨脹成低壓濕蒸汽，接著進入冷凝器冷凝成為飽和液體，最後經泵加壓重又進入鍋爐中,完成了一個循環。
製冷循環
利用製冷工作介質的循環變化將熱量由低溫物體傳給高溫環境的過程。製冷循環有空氣壓縮製冷循環、蒸氣壓縮製冷循環、蒸汽噴射製冷循環、吸收製冷循環等。
化工生產採用製冷循環的目的，是獲得低溫以發生預期的變化，或充分利用低溫位熱。例如小型工廠中用吸收製冷裝置回收利用低溫位熱，以節約電能。
