簡稱熱力過程，在環境作用下，系統從一個平衡態變化到另一個平衡態的過程。在化工熱力學中，對熱力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傳遞。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態，並且沒有摩擦，則為可逆過程。可逆過程是理想過程，無有效能損失，是實際過程可趨近的極限。

　　基本熱力過程和多變過程　實際的熱力過程比較復雜，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。

　　等容過程　其特征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

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； C v是平均定容摩爾熱容； n是摩爾數。

　　等壓過程　其特征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； C p為平均定壓摩爾熱容。

　　等溫過程　其特征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。

　　絕熱過程　其特征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 p Vγ=常數，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：

pVm＝常數

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，但是此式隻能在經過檢驗的范圍內使用。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。

　　熱力過程在化工生產中的應用　化工生產中應用熱力過程的目的：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：

　　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。液體輸送和壓縮過程的軸功耗WS為：

或　　　　　　

式中 V m為液體的摩爾體積； V m為泵出入口液體的平均摩爾體積； p為液體的壓力； η為機械效率。

　　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：

式中Δ H S為壓縮過程中氣體的等熵焓變； ηS和 ηT分別為壓縮機的等熵效率和等溫效率； p 1和 p 2分別為氣體在壓縮前後的壓力； T 1為氣體在壓縮前的溫度。

　　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，如制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 η S和 ηT分別為膨脹機或水輪機的等熵效率和等溫效率。

　　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（圖1）。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，完成瞭一個循環。如果將泵的功耗忽略不計，循環的熱效率ηt為：

式中 D為單位質量工作介質在汽輪機中所作的功； Q 1為單位質量工作介質在鍋爐中吸收的熱； H為單位質量工作介質在循環中各相應部位的焓值。

　　制冷循環　利用制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。制冷循環有空氣壓縮制冷循環、蒸氣壓縮制冷循環（圖2）、蒸汽噴射制冷循環、吸收制冷循環等。蒸氣壓縮制冷循環的制冷系數ε為：

式中 D S為單位質量工作介質在壓縮機中所獲功； Q 2為單位質量工作介質在冷凝器中吸收熱，即制冷量； H為單位質量工作介質在制冷循環中各相應部位的焓值。

　　化工生產采用制冷循環的目的，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制冷裝置（見制冷）回收利用低溫位熱，以節約電能。

　　熱泵循環　它的流程與蒸氣壓縮制冷循環相同，區別僅在於工作的溫度范圍不同（圖3）：

熱泵循環的下限溫度是環境溫度，上限溫度為供熱溫度；制冷循環的上限溫度是環境溫度，下限溫度為制冷溫度。在化工生產中，通過熱泵循環提高熱的溫位，熱能可以循環使用或回收利用。對於溫度降低不大的過程，例如沸點上升不大的 蒸發和組分沸點差很小的 精餾，都可通過熱泵循環以節約能耗。