動量定律和動能定律是牛頓熱學中十分重要的定律,它們可以通過聯立多項式推論下來。下邊將詳盡介紹推論過程。
1.動量定律:
動量定律表明,當一個物體遭到外力作用時,它的動量的變化率等于外力的大小。
設一個物體質量為m,速率為v,外力為F。依據牛頓第二定理,有:
F=ma(1)
物體的動量p定義為質量除以速率,即:
p=mv(2)
我們對上述等式兩側同時導數數,得到:
dp/dt=d(mv)/dt(3)
依據鏈式法則,左邊可以寫成:
dp/dt=m*dv/dt+v*dm/dt(4)
因為物體的質量m是常數,所以dm/dt=0,將其代入多項式(4)中,得到:
dp/dt=m*dv/dt(5)
再依據牛頓第二定理F=ma,將ma替換dp/dt,得到:
F=dp/dt(6)
這就是動量定律的表達式,它說明了力和動量之間的關系。
2.動能定律:
動能定律表明,當一個物體遭到外力作用時,它的動能的變化率等于外力對物體做的功。
設一個物體的質量為m,速率為v,動能為K。物體遭到的外力F做功W,按照功的定義有:
W=F*s(7)
其中s為物體在力F的作用下位移的距離。
依據牛頓第二定理F=ma,可以將公式(7)改寫為:
W=ma*s(8)
將速率v和位移s之間的關系v=ds/dt代入公式(8)中,得到:
W=m*(dv/dt)*ds(9)
依據鏈式法則,上式可以寫成:
W=m*v*dv/dt*ds/dv(10)
因為ds/dv可以表示為時間t的函數,將其用dt表示動量定理公式推導,得到:
W=m*v*dv/dt*dt(11)
因為W即為動能的變化量ΔK,所以可以用ΔK表示W,得到:
ΔK=m*v*dv/dt*dt(12)
對上式進行積分,得到:
∫dK=m*∫v*dv(13)
將上式從初態到末態積分,得到:
K2-K1=1/2*m*(v2^2-v1^2)(14)
其中K2和K1分別為物體在末態和初態的動能,v2和v1分別為末態和初態的速率。
綜上所述,多項式(14)就是動能定律的表達式,它說明了外力對物體做功和動能之間的關系。
將動量定律和動能定律聯立上去,可以得到愈發深刻的推論。依據動量定律,有F=dp/dt,按照動能定律,有F=ma=dp/dt=d(mv)/dt。將這兩個表達式相等動量定理公式推導,可以得到:
d(mv)/dt=ma(15)
這是聯立動量定律和動能定律的多項式,它進一步說明了力、動量和動能之間的關系。