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1、第 1 章,基础知识,2,第1章 基础知识,力学 研究物质运动基本规律及其应用的科学。主要内容包括：物体运动状态的描述及牛顿运动定律等。 热力学 研究能量及其转换的科学。主要内容包括：热力学的基本定律，即热力学第一定律和热力学第二定律；工质的热力性质和热力过程等。 气体动力学 研究气体在流动过程中，气体与气体、气体与固体之间相互作用所遵循的规律及参数的变化规律。 传热学 研究对象是热量传递的规律。,3,1.1 物质,物态和相变 物态：构成物质的粒子的聚集状态叫物态。 物态有三种，即固态；液态和气态。 相变：由一种物态向另一种物态的转变叫相变。 相变有： 由气态变为液态叫液化；(放热)， 由液态
2、变为气态叫汽化；(吸热)， 由液态变为固态叫凝结；(放热)， 由固态变为液态叫熔解；(吸热)， 由固态变为气态叫升华；(吸热)， 由气态变为固态叫结晶。(放热) 。 三相点 物质的汽化曲线，熔解曲线和升华曲线的交点称为三相点。或是物质的固态，液态和气态共存的温度点。,4,1.2 物体的运动-牛顿第一定律,牛顿运动定律 一、牛顿第一定律 任何物体都保持静止的或沿一直线作匀速运动的状态，直到作用在它上面的力迫使它改变这种状态为止 牛顿第一定律指明了任何物体都具有惯性 所谓惯性，就是物体所具有的保持其原有运动状态不变的特性。,5,1.2 物体的运动-惯性参考系,牛顿运动定律 惯性参考系 运动只有相对
3、于一定的参考系才有意义 在这种参考系中观察，一个不受力作用的物体或处于受力平衡状态下的物体，将保持其静止或匀速直线运动的状态不变，这样的参考系称为惯性参考系 并非任何参考系都是惯性系 对一般力学现象来说，地面参考系是一个足够精确的惯性系 牛顿定律只有在惯性参考系中才成立。 非惯性坐标系 相对于惯性参照系做变速运动的参照系是非惯性参照系，在非惯性参照系中的物体会受到惯性力作用,6,1.2 物体的运动-牛顿第三定律,牛顿运动定律 牛顿第三定律 两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上， 大小相等而方向相反,7,1.2 物体的运动-力,1.2.3 牛顿运动定律 重力 弹力:胡克定律 摩擦力:静摩
4、擦力 ,动摩擦力 万有引力,8,1.2 物体的运动-重力,重力 地球表面附近的物体都受到地球的吸引作用受到的力叫做重力。 W=mg 式中m为质量, 质量为物体中所包含物质的多少。 其法定计量单位为公斤。,9,1.2 物体的运动-弹力,弹力 发生形变的物体，由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫弹力，又叫恢复力。 弹力是产生在直接接触的物体之间并以物体的形变为先决条件的。 胡克定律 在弹性限度内，弹力大小和形变成正比FMX 式中M叫弹簧的劲度系数， 负号表示弹力的方向总是 和弹簧位移的方向相反， 这就是说，弹力总是指向 要恢复它原长的方向。,10,1.2 物体的运动-摩擦力,摩
5、擦力 两个相互接触的物体在沿接触面相对运动时，或者有相对运动的趋势时，在接触面之间产生一对阻止相对运动的力，叫做摩擦力。 静摩擦力 相互接触的两个物体在外力作用下，虽有相对运动的趋势，但并不产生相对运动，这时的摩擦力叫静摩擦力。 物体所受到的静摩擦力与该物体的运动趋势的方向相反。 静摩擦力的大小视外力的大小而定，介乎0和某个最大静摩擦力之间。 动摩擦力 当外力超过最大静摩擦力时，物体间产生了相对运动，这时也有摩擦力，叫做滑动摩擦力。 滑动摩擦力也与正压力成正比。 对于给定的一对接触面来说， ,一般两者都小于1。,11,1.2 物体的运动-万有引力,万有引力 任何两个物体之间的吸引力叫万有引力。
6、 牛顿万有引力定律： 对于质量分别为m1和m2的两个质点 相距为r时，它们之间的引力F为： F=G0m1m2 /r2 式中G0叫万有引力常量 其数值为 G0 6.6710-11Nm2/kg 2 重力是由地球对它表面附近的物体的引力引起的万有引力 。,12,1.2 物体的运动-牛顿第二定律,四、牛顿第二定律: F=ma 牛顿第二定律表明物体的加速度和所受的力，它们同时存在，同时改变，同时消失。一旦作用在物体上的外力被撤去，物体的加速度立即消失，但这并不意味着物体停止运动，按照牛顿第一定律，这时物体将作匀速直线运动，这正是惯性的表现。 物体有无运动，表现在它有无速度，而运动有无改变，则要取决于它有
7、无加速度。如果有加速度，则作用在物体上的外力一定存在，力是产生加速度的原因。 该力为合力,13,1.2 物体的运动-力的叠加原理,力的叠加原理 如果几个力同时作用在一个物体上，则物体产生的加速度等于每个力单独作用时产生的加速度的叠加，也等于这几个力的合力产生的加速度。这一结论叫做力的独立性原理，又叫力的叠加原理。 在某一瞬间，作用在物体上的所有外力的合力等于物体动量的变化率，而且合力的方向与动量变化率的方向相同。,14,1.3 热力学基础,1.3.1 热力学的基本概念 系统（热力系）：在热力学中将研究对象的物质及其所在的空间称为系统。 外界：系统之外能够以某种方式与系统发生相互作用的局部区域内
8、的物质称为外界。 界面：系统与外界之间的分界面称为界面。 界面可以是真实的, 也可以是假想的; 可以是固定的, 也可以是运动的。 系统与外界之间的相互作用是指能量（包括热量和功）交换和质量交换。,15,1.3 热力学基础,系统的分类： 闭口系：与外界无质量交换的系统称为闭口系。 特点是系统中包含工质的质量保持不变。 开口系：与外界有质量交换的系统称为开口系。 特点是系统的容积保持不变。 绝热系：与外界无热量交换的系统称为绝热系。 孤立系：与外界既无质量的交换也无能量的交换称为孤立系。 特点是系统中包含工质的质量和能量均保持不变。 简单可压缩系：由可压缩流体构成, 与外界只交换热量和一种模式功的
9、系统称为简单可压缩系。这种系统与外界交换功的模式为容积功。,16,1.3 热力学基础,状态： 在某一指定的瞬间系统所呈现的一切宏观性质的综合表现称为系统的状态。 系统可能呈现各种不同的状态, 其中具有特别重要意义的是平衡状态。 平衡状态：所谓平衡态是系统与外界不发生相互作用的条件下, 其宏观性质不随时间变化的状态。 热力过程 系统从一个平衡态向另一个平衡态变化时所经历的全部状态的总和称为热力过程。 热力过程根据其性质可分为: 准静态过程、不平衡过程、可逆过程和不可逆过程等。 准静态过程： 由一系列无限接近于内部平衡状态的状态所组成, 而且以几乎趋近于零的速度进行的热力过程称为准静态过程, 或称
10、为准平衡过程和内部平衡过程。 可逆过程：系统在经历某一热力过程后, 能够简单地逆转, 使系统和外界可以同时完全复原的过程称为可逆过程, 否则是不可逆过程。 循环：封闭的热力过程称为热力循环, 简称为循环。此时系统从一个平衡态经过一系列的状态又回到原来的状态。,17,1.3 热力学基础-温度,状态参数：描写系统性质的宏观物理量。 基本状态参数： 可以直接测量的状态参数称为基本状态参数。例如温度、压力、比容等。 温度：温度表示物体的冷热程度。它是描写处于热平衡状态的系统宏观特性的物理量。 温标：温度的数值表示法称为温标。分为热力学温标、摄氏温标、华氏温标等。 热力学温标是与测温物质的性质无关的温标
11、，单位为开尔文，代号为K，以标准大气压下水的三相点为唯一的基准点，并规定水的三相点的温度为273.16K，温度单位为1/273.16。 摄氏温标是选用标准大气压下水的两相点（冰水混合物）为0度，沸点为100度，并将温度视为测温物某一物性的线性函数的温标。 热力学温度与摄氏温度之间的关系： T（K）t273.15 华氏温标是选用标准大气压下水的两相点（冰水混合物）为32度， 沸点为212度，并将温度视为测温物某一物性的线性函数的温标。 摄氏温度与华氏温度之间的关系 tc=（tF-32）5/9； TF=32+9tc/5,18,1.3 热力学基础-压力,压力 单位面积上所承受的垂直方向的作用力称为压
12、强或称为压力。 压力的法定计量单位是帕斯卡，简称为帕，用Pa表示。 1Pa=1N/m2 1MPa=106Pa；1bar=105Pa 绝对压力：系统的真实压力是绝对压力。 绝对压力的基准点是绝对真空。 表压力：系统的真实压力超出当地大气压力的部分叫表压。 pg=p - p0 真空度：系统的真实压力低于当地大气压力的部分叫真空度。 pv=p0 - p 注意：表压和真空度都不是状态参数，因为它们的数值不但与系统的真实压力有关，而且与当地的大气压力有关。所以绝对压力才是状态参数。,19,1.3 热力学基础-状态方程,比容 单位质量的物质所占有的容积称为比容。 比容的法定计量单位是m3/kg。 v=V/
13、m 状态方程 平衡态下基本状态参数压力， 温度和比容之间的关系式称为状态方程，即 F（p，v，T）=0 完全气体状态方程： 完全气体：将气体分子自身体积和分子间作用力忽略不计的气体称为完全气体。 实验和理论都表明：当压力不太高，温度不太低时，各种气体都可按完全气体来处理。 对于1公斤完全气体其状态方程为： pv=RT 式中：为气体常数。气体常数只决定于气体的种类不随气体的状态而变化。空气的气体常数为287.06j/（kg，K）。 pV=mRT,20,1.3 热力学基础-功,四、功和热 功：功是力和沿着力的方向所移动的距离的乘积，用符号W表示 功为过程量 系统对外界作功，则功为正（） 外界对系统
14、作功，则功为负（） 比功的定义 功的单位 热：系统在热力过程中通过边界与外界之间依靠温差传递的能量。 单位 热为过程量,热量以卡为单位时与功的单位之间的数量关系， 相当于单位热量的功的数量，叫做热功当量。 焦耳首先用实验确定了这种关系，将这种关系 表示为 1卡（热化学卡）=4.1840焦耳,21,容积功： 在热力过程中由于系统容积（比容）变化与外界交换的功称为容积功。 容积功分为膨胀功和压缩功。 在热力过程中容积不断变大时与外界交换的功称为膨胀功。 在热力过程中容积不断变小时与外界交换的功称为压缩功。 膨胀功为正，而压缩功为负。 功率：单位时间内所完成的功称为功率。用符号N表示。 功率的法定单
15、位为瓦特，简称瓦，瓦焦尔秒,1.3 热力学基础-容积功,22,1.3 热力学基础-热量,热量：Q 系统在过程中通过边界与外界之间依靠温差所传递的能量称为热量。 系统内单位质量的物质与外界所交换的热量称为比热量，用符号q表示。 外界对系统加热，则热量为正() 系统向外界放热，则热量为负() 热量的法定计量单位为“焦耳”(j)， 比热量的单位为“焦耳公斤”(j/kg)。,23,1.3 热力学基础-内能,1.3.2 热力学基本定律 内能: 热力系内部储存的能量。 U=UK + Up+UM+UA 式中：U-内能； UK 内动能，它的大小取决于温度； Up 内势能；它的大小取决于分子间的距离，即取决于比
16、容； UM 化学能； UA 原子能。 在工程热力学范围内，内能只包含有内动能和内势能。 内能是状态参数。 对于完全气体，内能只包含有内动能，所以，完全气体的内能只是温度的单值函数。 内能的法定计量单位为j（焦尔）, 1公斤工质的内能称为比内能，比内能的法定计量单位为j/kg。,24,1.3 热力学基础-热力学第一定律,1.3.2 热力学基本定律 一、热力学第一定律 图示的由气缸活塞组成的闭口热力系, 在初始平衡状态时, 热力系的内能为U1, 当外界对热力系加入Q的热量时, 热力系对外界作了W的功, 使热力系达到平衡状态, 这时热力系的内能为U2,25,1.3 热力学基础-热力学第一定律,1.3.2 热力学基本定律 闭口系热力学第一定律：闭口系与外界交换的热量等于系统内能的变化与热力系与外界所交换的功之和。 Q=U2-U1
