物理機械建筑類第4 5章

物理（機械建筑類）主編:王美玉第4章

第5章第4章圖4-1內(nèi)燃機第4章圖4-2紅外線氣象云圖第4章4.1分子動理論【分子動理論的基本內(nèi)容】分子是由原子力把兩個或多個原子束縛在一起所組成的微觀實體。物體是由大量分子組成的，分子永不停息地作無規(guī)則運動，分子之間存在著相互作用力，大量分子無規(guī)則的運動稱為分子的熱運動。分子的熱運動和分子之間的相互作用決定了物體的熱學(xué)性質(zhì)?！疚矬w的組成】現(xiàn)代科技的發(fā)展已經(jīng)證明原子確實存在，而且科學(xué)實驗還證明原子不是不可再分的。原子可以結(jié)合成分子，分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒，物質(zhì)是由大量分子組成的。實際上，組成物質(zhì)的最小單元是多種多樣的，有的是原子(如金屬材料等)，有的是離子(如氯化鈉等無機物)，有的是分子(如聚乙烯等高分子材料)。在熱學(xué)中，由于這些基本微粒作熱運動時都遵循相同的規(guī)律，所以將這些微粒統(tǒng)稱為分子。【分子的大小】分子極其微小，不僅用肉眼不能直接看到，就是用光學(xué)顯微鏡也看不到。目前只能用可以放大幾億倍的掃描隧道顯微鏡觀察到物質(zhì)表面的分子。如果把分子看成小球，人們發(fā)現(xiàn)除了部分有機物的分子較大外，絕大多數(shù)物質(zhì)的分子直徑是10-10m數(shù)量級，如水分子的直徑為4×10-10m，氫分子的直徑為2.3×10-10m，蛋白質(zhì)分子的直徑為43×10-10m?！景⒎拥铝_常數(shù)】我們在化學(xué)課中知道，1mol的任何物質(zhì)都含有相同的粒子數(shù)，并用阿伏加德羅常數(shù)NA來表示。

例4-1水的摩爾質(zhì)量是1.8×10-2kg/mol，1mol水中含有6.0×1023個分子，求水分子的質(zhì)量m是多少？解：m=1.8×10-2kg/mol/6.0×1023mol-1=3.0×10-26kg答：水分子的質(zhì)量m是3.0×10-26kg?？梢娝肿淤|(zhì)量是非常小的。用同樣的方法可以測出氧分子的質(zhì)量是5.3×10-26kg，氫分子的質(zhì)量是3.3×10-27kg。4.1分子動理論圖4-3分子之間存在間隙

a)放大10億倍的水b)酒精和水混合后的體積變化4.1分子動理論【分子之間存在間隙】一切宏觀的物體都是由大量的、彼此之間有間隙的分子組成的。例如，氣體的體積很容易被壓縮，就是氣體分子間有間隙的證明；水和酒精混合后總體積反而會減少，如圖4-3所示，說明這兩種液體的分子互相滲透到對方分子的間隙中了，從而證明液體分子間也有間隙。圖4-4觀察布朗運動的裝置4.1分子動理論【布朗運動】

1827年英國植物學(xué)家布朗(1773—1858年)用顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉，發(fā)現(xiàn)花粉粒不停地作無規(guī)則的運動。后來人們把懸浮顆粒的這種無規(guī)則運動稱為布朗運動。圖4-5三個墨汁顆粒的運動路徑4.1分子動理論圖4-6分子對小顆

粒的碰撞情況4.1分子動理論圖4-7分子間的作用力與間距的關(guān)系圖4.1分子動理論【分子間的作用力】分子間雖然有間隙，大量分子卻能聚集在一起形成固體或液體，并具有一定的體積和形狀，這表明分子間有引力的存在。另一方面，分子間又存在空隙，沒有緊密地吸合在一起，而且固體或液體都很難壓縮，這說明分子間還有斥力存在，阻止著它們的相互靠攏。例如，用力壓固體時，固體內(nèi)會產(chǎn)生反抗壓縮的彈力。分子間的作用力，稱為分子力。固體被拉伸或壓縮時產(chǎn)生的彈力，就是分子間引力和斥力的宏觀表現(xiàn)。4.2內(nèi)能熱傳遞熱量【分子動能】物體中的分子由于永不停息地作無規(guī)則的運動而具有的動能稱為分子動能。物體內(nèi)分子運動的速率是不同的，有的大，有的小，因此，各個分子具有的動能并不相同。我們在研究與分析熱現(xiàn)象時，由于熱現(xiàn)象是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)，因此我們關(guān)心的不是一個分子的動能大小，而是物體內(nèi)所有分子動能的平均值。我們把物體內(nèi)所有分子動能的平均值稱為分子的平均動能。溫度是物體分子熱運動的平均動能的標(biāo)志。溫度升高，物體分子的熱運動加劇，分子熱運動的平均動能也增加。相反，溫度越低，則分子熱運動的平均動能越小?！痉肿觿菽堋吭诜肿恿ο嗷プ饔玫姆秶鷥?nèi)，分子間具有的勢能，稱為分子勢能，其大小由分子間的相對位置決定。當(dāng)分子間的距離r＞r0時，分子間的相互作用力表現(xiàn)為引力，要增大分子間的距離必須克服引力做功，因此，分子勢能隨著分子間距離的增大而增大，這種情形類似于彈簧被拉長時彈性勢能的變化規(guī)律。當(dāng)分子間的距離r＜r0時，分子間的相互作用力表現(xiàn)為斥力，要減小分子間的距離必須克服斥力做功，因此，分子勢能隨著分子間距離的減小而增大，這種情形類似于彈簧被壓縮時彈性勢能的變化規(guī)律。物體的體積發(fā)生變化時，分子間的距離發(fā)生變化，分子勢能隨之發(fā)生變化，因此，分子勢能與物體的體積有關(guān)。【內(nèi)能】物體內(nèi)部所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和，稱為物體的熱力學(xué)能，也稱為內(nèi)能，用符號“E”表示。圖4-9鉆削時產(chǎn)生熱現(xiàn)象圖4-8浸有乙醚的棉花的燃燒原理4.2內(nèi)能熱傳遞熱量圖4-10蒸汽機車4.2內(nèi)能熱傳遞熱量圖4-11火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程示意圖【熱傳遞現(xiàn)象觀察】熱傳遞現(xiàn)象在我們的日常生活中經(jīng)常遇到，如室內(nèi)暖器片、加熱爐、空調(diào)等設(shè)備在運行時，都涉及熱傳遞現(xiàn)象。室內(nèi)暖氣片在使用過程中，其傳熱過程包括：熱水通過加壓從鍋爐流到暖氣片內(nèi)，是強制對流；熱量從熱水傳遞到暖氣片，是熱傳導(dǎo)；依靠空氣對流將熱量傳到房間內(nèi)各處，是自然對流傳熱；被加熱的暖氣還以輻射方式向外傳熱。4.2內(nèi)能熱傳遞熱量圖4-12熱傳遞的三種方式舉例4.2內(nèi)能熱傳遞熱量【熱量】做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上可以表現(xiàn)出相同的效果，即都使物體的內(nèi)能發(fā)生變化。但兩種方式之間還是有本質(zhì)區(qū)別的。做功使物體的內(nèi)能改變，是其他形式的能與內(nèi)能之間的變化。例如，摩擦生熱的過程是做了機械功，將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程。熱傳遞則不同，它是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。熱傳遞時所轉(zhuǎn)移內(nèi)能的數(shù)量，稱為熱量，常用符號Q表示。表4-11Pa氣壓下幾種晶體物質(zhì)的熔點和熔化熱4.3物體變化時的潛熱【熔化與凝固】物質(zhì)通過吸收熱量由固態(tài)變成液態(tài)的過程，稱為熔化，相反，物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。其中由液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程，稱為結(jié)晶。物質(zhì)在熔化時要吸收熱量，在凝固時要放出熱量。晶體與非晶體在熔化時表現(xiàn)出不同的特征，其原因就是由于它們存在不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?！救刍F(xiàn)象分析】晶體開始熔化并保持溫度不變的過程稱為晶體的熔點。我們可以從微觀角度來分析熔化現(xiàn)象:在晶體中，分子或原子排列成規(guī)則的空間點陣，維持這種規(guī)則排列的是分子或原子之間的相互作用力。由于分子或原子的熱運動不足以克服它們之間的相互作用力，所以，分子或原子一般只能在空間點陣的平衡位置附近作微小的振動。圖4-13沸騰現(xiàn)象4.3物體變化時的潛熱【熔化熱】單位質(zhì)量的某種晶體物質(zhì)，在熔點完全變成同溫度的液體時所吸收的熱量，稱為這種晶體的熔化熱(λ)。在國際單位制中，熔化熱的單位是焦耳每千克(J/kg)。表4-1中列出了105Pa氣壓下幾種晶體物質(zhì)的熔點和熔化熱。4.3物體變化時的潛熱【汽化與液化】物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)并吸收熱量的過程，稱為汽化。由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為液化，又稱為凝結(jié)。汽化有兩種方式:蒸發(fā)和沸騰。僅僅在液體表面發(fā)生的汽化，稱為蒸發(fā)。在一定壓強下，液體的溫度升高到某一溫度時，在液體內(nèi)部和表面同時發(fā)生的汽化，稱為沸騰。產(chǎn)生沸騰時，液體有大量氣泡產(chǎn)生，它們會增大并上升到液面破裂而放出蒸氣，如圖4-13所示。沸騰時液體的溫度保持不變，這個溫度稱為沸點。蒸發(fā)在任意溫度下都可以發(fā)生，因為液面總有一些分子的動能比分子平均動能高，因此，它們可以克服液面其他分子的吸引，脫離液面而形成蒸氣，蒸氣又常稱為汽。液體的溫度越高，分子具有的平均動能越大，具有足夠大的動能而且能夠脫離液體表面的分子也就越多，因此，溫度越高，蒸發(fā)得越快。另外，液體的表面面積越大，處于液體附近的分子也越多，能夠從液面飛出的分子也相對越多，因此，液體表面面積越大，蒸發(fā)得也越快。表4-21Pa下幾種物質(zhì)的沸點和汽化熱表4-3水在不同溫度下的汽化熱例4-2在地球大氣層上空垂直太陽光的平面上，每秒鐘每平方米可接收到1.35×103J(記為I=1.35×103W/m2)的太陽能，這些能量的大部分被大氣層吸收，全年平均起來大約有15％的太陽能到達地面。已知地球的半徑R0=6.4×106m，地面水域占全球面積的71％，平均汽化熱可估計為γ=2.47×106J/kg，試估算每秒鐘進入大氣的平均水蒸發(fā)量m。4.3物體變化時的潛熱解：已知垂直于陽光的面積A=πR2=3.14×(6.4×106m)2=1.29×1014m2，太陽能中每秒用于水面蒸發(fā)的熱量為4.3物體變化時的潛熱4.4熱力學(xué)第一定律【熱力學(xué)第一定律】在一般的熱力學(xué)過程中，系統(tǒng)內(nèi)能的變化是做功與傳熱共同作用的結(jié)果。假設(shè)系統(tǒng)從內(nèi)能為E1的平衡態(tài)經(jīng)過某一熱力學(xué)過程變化到內(nèi)能為E2的平衡態(tài)。在此過程中，外界對系統(tǒng)傳熱為Q，同時系統(tǒng)對外做功為W，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，在系統(tǒng)狀態(tài)變化時，系統(tǒng)能量的改變量等于系統(tǒng)與外界交換的能量，即表4-4熱力學(xué)第一定律表達式中各量正負的物理意義例4-3一定量的氣體從外界吸收的熱量是25000J，氣體內(nèi)能增加40000J，試分析是氣體對外做功，還是外界對氣體做功？

解：由熱力學(xué)第一定律Q=E2-E1+W，得4.4熱力學(xué)第一定律圖4-14壓縮式電冰箱制冷循環(huán)系統(tǒng)4.4熱力學(xué)第一定律【能源與環(huán)境】熱機、燃油汽車、火力發(fā)電廠和制冷機等既是人類物質(zhì)文明的重要體現(xiàn)，同時也是污染人類生態(tài)環(huán)境的主要根源之一。大量的事實證明：任何形式的能轉(zhuǎn)化為其他形式的能時，總的能量是守恒的。能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。這就是能量守恒定律。例4-4設(shè)某發(fā)電廠的效率η=30%，輸出功率P=1.5×107W，標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒值q0=2.93×107J/kg。求發(fā)電廠每小時消耗標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量m。

解：煤燃燒每秒鐘向鍋爐提供的熱量，就是發(fā)電廠的輸入功率P0，即P0=m/t，其中t=3600s。因輸出功率P=ηP0=ηm/t，所以4.5能量守恒定律圖4-15永動機的設(shè)計方案之一4.5能量守恒定律第5章圖5-1水在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)條件的分子狀態(tài)第5章5.1固體、液體、和氣體的基本特征圖5-2固體分子的規(guī)則排列【固體】固體的特征是有一定的體積和形狀?！疽后w】液體的特征是具有一定的體積而無一定的形狀?！練怏w】氣體的特征是既無一定的體積，也無一定的形狀。圖5-3液體的形狀5.1固體、液體、和氣體的基本特征5.2晶體和非晶體圖5-4常見晶體物質(zhì)的形狀

a)一種雪花的晶體外形b)食鹽晶體外形c)石英晶體外形【晶體和非晶體的外形】晶體與非晶體在外形上有很大區(qū)別。晶體有天然的、規(guī)則的幾何形狀，它的外形是由若干個平面圍成的多面體。例如，冬季的雪花是水蒸氣在空氣中凝固時形成的冰的晶體，小冰粒整齊地排列成有規(guī)則的六角形(見圖5-4a)；食鹽的晶體是立方體(見圖5-4b)；石英晶體中間是六面棱柱，兩邊是六面棱錐(見圖5-4c)。非晶體則沒有天然的、規(guī)則的幾何外形。圖5-5云母片的物理性質(zhì)檢測實驗晶體的分類】晶體可以分為單晶體和多晶體。整個物體就是一個晶體(晶粒)，這樣的物體稱為單晶體，如圖5-7a所示。單晶體是科學(xué)技術(shù)上重要的材料，制造各種晶體管、計算機芯片等就要用純度很高的單晶硅或單晶鍺。單晶體是各向異性的。5.2晶體和非晶體圖5-6玻璃片的物理性質(zhì)檢測實驗5.2晶體和非晶體圖5-7晶體與非晶體的顯微組織區(qū)別

a)單晶體b)多晶體c)純鐵的顯微組織5.2晶體和非晶體圖5-8氯化鈉的空間點陣【晶體和非晶體的物理性質(zhì)】晶體和非晶體有不同的性質(zhì)，是因為它們有不同的微觀結(jié)構(gòu)。在微觀結(jié)構(gòu)方面，非晶體的分子排列結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的；而組成晶體的分子、原子或離子則是有規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)，稱為空間點陣5.2晶體和非晶體圖5-9石墨的空間點陣5.2晶體和非晶體圖5-11空間點陣中在不5.2晶體和非晶體圖5-11空間點陣中在不

同方向原子排列的間距5.2晶體和非晶體5.3液體的表面張力圖5-12氣液界面上表面

層分子的受力分析【液體表面分子的特性】位于物質(zhì)表面層的分子與位于物質(zhì)內(nèi)部的分子情況有所不同。例圖5-12氣液界面上表面層分子的受力分析如，液體及其蒸氣組成的體系，在液體內(nèi)部的分子受到周圍相同分子的引力是對稱的，各個方向的力彼此抵消，合力為零，如圖5-12所示。因此，液體內(nèi)部的分子可以自由地運動而不消耗功。而位于液體表面層的分子則不同，內(nèi)部液體分子對它的引力，比起氣液界面上氣體分子對它的引力要大得多，不能相互抵消，表面分子所受的合力不等于零，因此，氣液界面上的分子就要受到指向液體內(nèi)部的拉力，所以，液體表面有自動縮小的趨勢。圖5-13表面張力效應(yīng)分析【表面張力效應(yīng)】將金屬絲制成的圓框浸入肥皂液，圓框中帶有細線圈，并且細線圈“漂”在膜上，如圖5-13a所示。如果將細線圈內(nèi)部的肥皂液薄膜刺破，則均勻作用在細線圈上的表面張力將迫使細線圈變?yōu)閳A形，如圖5-13b所示。表面張力具有縮減薄膜總面積的作用，如荷花葉上、樹葉上及小草上的水滴成5.3液體的表面張力表5-1部分液體在常壓下、20℃時與空氣接觸的表面張力5.3液體的表面張力圖5-14例5-1圖例5-1如圖5-14所示，用金屬線制作一個矩形框(一邊開口)，5.3液體的表面張力框架上掛著一片肥皂液薄膜，開口邊上是一條可滑動的金屬線，其長度是5cm，質(zhì)量是100mg。如果肥皂液的表面張力是0.025N/m，金屬滑線應(yīng)掛上多重的物體，才能使金屬滑線保持平衡？

解：肥皂液薄膜有兩個面，因而表面張力作用在兩個金屬滑線長度上，所以，肥皂液薄膜產(chǎn)生的表面張力是5.3液體的表面張力5.4.1理想流體穩(wěn)流圖5-18河流【理想流體】河流中的水(見圖5-18)，輸油管中流動著的石油，以及空中流動著的空氣流等，都是常見的實際流體。實際流體的運動比較復(fù)雜，決定因素多種多樣。但在某些問題中，我們可以突出起作用的主要因素，而忽略次要因素。理想流體就是在這種情況下提出的一個理想模型。5.4.1理想流體穩(wěn)流圖5-19穩(wěn)流與流線示意圖【穩(wěn)流】流體的流動一般是很復(fù)雜的，這不僅是因為流體質(zhì)點在同一時刻、在空間各點的流動速度不一定相同，而且在不同時刻流經(jīng)同一位置的速度也不一定相同，這就是說，流體流動的情況隨位置和時間而變化。5.4.2帕斯卡定律【帕斯卡定律】如果在液體表面增加某一壓強p0，則液體內(nèi)任一深度處的壓強也一定增加相同的數(shù)值。因此，在密閉容器里的液體，能把它在一處受到的壓強，大小不變地向液體內(nèi)部各個方向傳遞，這一壓強傳遞規(guī)律稱為帕斯卡定律。5.4.2帕斯卡定律圖5-20液壓機的工作原理示意圖5.4.3流體連續(xù)性方程圖5-21由流線圍成的流管流體連續(xù)性方程在穩(wěn)定流動的流體內(nèi)，如果經(jīng)過一個小面積A畫出所有的流線，如圖5-21所示，則被這一束流線圍成的管狀區(qū)域，稱為流管。因流體質(zhì)點在空間同一點只可能有一個速度，所以，各流線是不能相交的。因而流管內(nèi)的流體不能流出管外，管外的流體也不能流入管內(nèi)，猶如在真實的光滑管道中流動的流體。5.4.3流體連續(xù)性方程圖5-22連續(xù)性方程圖解5.4.3流體連續(xù)性方程圖5-23寂靜、緩慢的小河例5-2某粗細均勻水管的直徑是4cm，5.4.3流體連續(xù)性方程水在管內(nèi)流動的速度是15cm/s，求管內(nèi)水的流量。

解：由已知可求截面積為5.4.3流體連續(xù)性方程圖5-24水龍頭例5-3如圖5-24所示，水龍頭粗端過水面積是細端過水面積的2倍，5.4.3流體連續(xù)性方程如果自來水在粗端流速是10cm/s，求自來水在細端的流速。

解：假設(shè)水管粗端的截面積為S1，流速為v1；水管細端的截面積為S2，流速為v2，則5.5液晶圖5-25計算機液晶顯示器早在1888年，奧地利植物學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了某些有機化合物(現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)幾千種)具有一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，即介于固態(tài)和液態(tài)之間的過渡狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，這種處于特殊狀態(tài)的物質(zhì)既具有晶體所具有的各向異性造成的雙折射性，又具有液體所特有的流動性。這種過渡狀態(tài)的特殊的物質(zhì)稱為液態(tài)晶體，簡稱液晶。5.6理想氣體狀態(tài)參量圖5-26測定氣體壓強的常用設(shè)備

a)開口U形管壓強計(p>)b)開口U形管壓強計(p<)c)電子氣壓計5.6理想氣體狀態(tài)參量【理想氣體】理想氣體是指重力忽略不計，密度很小，在任何溫度、任何壓強下都嚴(yán)格遵守氣體實驗定律的稀薄氣體。理想氣體是一種理想化的物理模型，是對實際氣體的科學(xué)抽象。【理想氣體狀態(tài)參量】描繪理想氣體狀態(tài)的物理量有體積V、溫度T、壓強p等，它們在宏觀上反映了理想氣體所處的狀態(tài)。所以，把理想氣體的體積V、溫度