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簡介：第二章熱力學基礎(chǔ),,21熱力學第一定律,211熱與功是二類不同形式的能量熱量由于體系和它所處環(huán)境的溫度不同而導致在二者間交換的能量，簡稱熱，用符號Q表示。注意其正負值的規(guī)定功體系與環(huán)境之間交換的除熱以外的能量，用符號W表示。注意其正負值的規(guī)定功分為體積功與非體積功,,體積功的計算,注意此處的壓力PA是指環(huán)境對活塞施加的壓力,幾種典型的等溫膨脹作功情況,恒外壓過程分步恒外壓過程顯然，,,無限細分步,,可逆過程,什么是可逆過程可逆過程的特點。在等溫可逆膨脹過程中體系對環(huán)境作最大功。在等溫可逆壓縮過程中環(huán)境對體系作最小功。,,212熱力學第一定律熱力學能體系熱力學能的絕對值目前無法知道，但其變化值是可以測量、計算的。對于封閉體系,,U的變化值只與其變化的始、終態(tài)有關(guān)，而與變化的途徑無關(guān)，即U是一個狀態(tài)函數(shù)。Q、W不是狀態(tài)函數(shù),,對于真實氣體,UUT,V分子動能與T相關(guān)分子間勢能與V相關(guān)對于理想氣體,UUT,熱力學能變化值DU可以通過測量Q、W來得到。QCDTQVCVDT對于體積不變的過程（即恒容過程），體積功為零。所以有QVDU,對于恒壓過程令,對于理想氣體,幾個有意義的結(jié)論,恒容反應熱可以實驗測量，且其等于熱力學能的增量。恒壓反應熱可以實驗測量，且其等于體系焓的增量。,

簡介：第2講氣候變化的原因,,1全球輻射平衡與輻射強迫,太陽輻射是驅(qū)動地球上所有天氣和氣候現(xiàn)象的能量來源。就全球和年平均而言，有343W/M2的太陽輻射（又稱短波輻射）入射到大氣頂，但其中三分之一（103W/M2）被云層和地表面又反射回太空，因而只留下240W/M2被地球的氣候系統(tǒng)所吸收。大氣本身對太陽輻射的直接吸收很少，大部分被陸面、海洋、冰面所吸收，使它們溫度升高。為了維持地球的氣候長期不變，根據(jù)輻射平衡的原理，地球作為一個黑體（嚴格說應為灰體）被地表和大氣吸收的太陽輻射必須在大氣頂被地球自身放射的紅外輻射（又稱長波輻射）所平衡，其量值也應該是240W/M2。這種情況下，地球系統(tǒng)由于沒有任何凈能量輸入，則能保持地球氣候狀況（主要由全球地表平均溫度表征）不變。因而全球輻射平衡是維持穩(wěn)定地球氣候的基本原理。不論何種原因，如果這種平衡一旦被破壞，則全球輻射平衡不能維持，地球系統(tǒng)將獲得或損失能量，從而導致地球氣候的變化。,破壞全球輻射平衡可以有兩種方式一是入射到大氣頂?shù)奶柖滩ㄝ椛淞堪l(fā)生了改變，它主要由太陽活動本身的變化或太陽常數(shù)的變化引起，也可以由地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道參數(shù)（偏心率，進動和傾斜角）變化引起（即米蘭科維奇循環(huán)），也可以是大氣中的云層覆蓋面積或大氣氣溶膠顆粒物含量發(fā)生了變化，從而使反射的太陽輻射量發(fā)生了變化（用反照率表示）。這些變化是引起氣候自然變化的主要原因之一。它可以影響不同時間尺度的氣候變化。二是射出長波輻射的變化。能夠影響地球射出長波輻射向外空傳輸?shù)闹饕蜃邮谴髿庵械乃琌3和溫室氣體等。它們能捕獲或攔截地球和大氣向外射出的長波輻射，使射出的長波輻射減少，從而破壞了全球輻射平衡。由上可知，能夠改變大氣頂凈輻射或使輻射平衡發(fā)生擾動或破壞的任何因子都可以引起全球氣候變化，它們被稱為輻射強迫圖1A）。實際上，全球氣候變化是對輻射強迫的響應，通過這種響應過程，地球系統(tǒng)改變自身的氣候狀況，以重新恢復原來的或建立新的全球輻射平衡。在這個過程中，由于氣候系統(tǒng)中各圈層響應的快慢不一樣，其所表現(xiàn)出的氣候變化狀況就不一樣（圖1B）。,圖1A各種影響全球氣候變化物質(zhì)引起的全球平均輻射強迫值（RF）2005年，相對于1750年）（A）及其90信度水平的發(fā)生概率分布（B）。LOSU是科學認識水平，火山氣溶膠未包括。（IPCC,2007）,圖1A各種影響全球氣候變化物質(zhì)引起的全球平均輻射強迫值（RF）（2005年，相對于1750年）（A）及其90信度水平的發(fā)生概率分布（B）。LOSU是科學認識水平，火山氣溶膠未包括。（IPCC,2007）,,箭頭對流層頂凈通量不平衡。蘭線未擾動溫度剖面；桔紅線擾動溫度剖面。從左到右，瞬時RF（IRF）大氣溫度處處不變；平流層調(diào)整的RF允許平流層溫度調(diào)整；零地面溫度變化RF，允許對流層大氣溫度調(diào)整，而地面溫度不變；平衡氣候響應允許大氣與地表溫度都調(diào)整達到新的平衡態(tài)，對流層頂RF消失。地面溫度變化了ΔTS。（IPCC,2007,圖1BRF計算方法,,大氣的對流層和海洋響應較慢，因而它們在幾十年之后才可能表現(xiàn)出明顯的氣候變化；而平流層大氣響應快，一般在一個月左右就可發(fā)生明顯的變化。正的輻射強迫可使地表溫度上升，導致全球變暖，負的輻射強迫（如火山爆發(fā)）使全球變冷。應該指出，輻射強迫的計算是研究氣候變化原因和預測氣候變化的一個關(guān)鍵。它所關(guān)心的是太陽輻射和長波輻射的變化，而不是其本身，從這個意義上講，入射的太陽輻射并不是輻射強迫，只有它的變化量才是輻射強迫。,2、氣候變化的驅(qū)動力,,外強迫的作用氣候變化的驅(qū)動力之一,,,幾千萬年～幾億的氣候變化的驅(qū)動力主要是地質(zhì)構(gòu)造活動，包括板塊運動，火山爆發(fā)，海底的地質(zhì)構(gòu)造變化等，也包括沙塵的影響。通過這些地質(zhì)構(gòu)造的運動，通過改變大氣中溫室氣體的濃度和反照率，影響著地質(zhì)年代的氣候。,更新世（200萬年1萬年）氣候變化及其意義（圖24）,1氣候變化的主要啟動力是地球軌道變化，非常弱的強迫2更新世氣候變化的主要機制是GHGS和冰蓋區(qū)，作為反饋機制3長時間尺度的氣候變化對很小的強迫是很敏感的4人類造成的強迫矮化了引起冰期與間冰期氣候變化的自然強迫5人類活動是現(xiàn)代氣候變化的一個驅(qū)動力,HANSEN,2007,溫度距平℃,年距今,人類活動擾動,圖2目前的CO2濃度是42萬年來的最大值。83萬年來，仍是最大值,REDREWFROMPETITETAL1999,,南極東方站（VOSTOK）測量的大氣CO2濃度變化,（IPCC，2001）,FORPAST425KY,AGHGSANDSEALEVEL,BSURFACEALBEDOANDGHGFORCINGS,COBSERVEDANDCALCULATEDTEMPERATURES,圖3過去425千年AGHGS與海平面，B地表反照率與GHGS強迫，C觀測與計算的溫度,圖4冰期氣候強迫,氣候敏感性,人類活動輻射強迫是否超過了自然輻射強迫,,全球氣候是否會向冰期（變冷）演變根據(jù)米蘭科維奇（MILANKOVITCH）循環(huán)理論，近幾百萬年由于地球軌道參數(shù)的變化（進動，地軸傾斜和地球軌道橢圓性變化），氣候具有周期為10萬年左右的冰期間冰期循環(huán)。這種自然的軌道強迫可在幾千年時間尺度上影響關(guān)鍵的氣候系統(tǒng)，如全球季風，全球海洋環(huán)流，大氣的溫室氣體含量等，我們目前處于末次間冰期，但其向冰期演變的冷卻趨勢不會減緩現(xiàn)代的全球變暖。至少在30000年之內(nèi)地球不會自然的進入下一個冰河期。,,,太陽活動的變化是引起近代氣候變暖的主要原因嗎總太陽輻射的連續(xù)直接觀測至今只有28年，結(jié)果表明，太陽輻射具有確定的11年周期變化，其輻射量從最小到最大的周期循環(huán)變化率只有008，并且無顯著長期趨勢，工業(yè)化前后并無太大的變化，輻射量變化的主要原因是太陽黑子和耀斑的變化。計算的太陽輸出（從1750年）造成的直接RF是±012W/M2。這個值雖然是正值，但比溫室氣體的RF要小得多（23W/M2），所以太陽輻射的變化不是引起近代氣候變暖的主要原因（圖56）。,圖5總太陽輻射變化（太陽常數(shù)）,圖6最近28年太陽總輻射量的變化,,圖7驅(qū)動冰河期循環(huán)的地球軌道參數(shù)變化示意圖,氣候變化的驅(qū)動力之二溫室效應與人類活動的作用,,,這是了解全球氣候變化原因的最重要的物理基礎(chǔ)之一。溫室效應有兩種，一種是自然的溫室效應，一種是增強的溫室效應，即人類活動引起的溫室效應。我們首先考察一下自然的溫室效應，它不但發(fā)生地球的氣候演變中，也發(fā)生在其它行星的氣候形成中，就目前的知識而言，至少在我們地球的近鄰行星金星（離太陽比地球近）與火星上（離太陽比地球遠）。地球大氣中，除了含有占99氮、氧以外還含有其它少量的微量氣體如CO2，CH4等以及云，水和塵埃等，后者雖然所占體積和數(shù)量很少，但它們可以吸收地表放射的一部分紅外熱輻射，根據(jù)基爾霍夫定律（KIRCHOFF定律），大氣中的一個氣層如果吸收輻射，它也在同一頻率下，正比于吸收再以自己的溫度放射出輻射。,因而大氣中上述這些微量氣體和水汽、云等在吸收大氣與地表發(fā)射的長波熱輻射的同時，也以自身的溫度向外空放射出熱輻射。在大氣高層的這些氣體、水汽與云，由于其溫度比地表低得多（大氣中的氣溫從地表到對流層頂（平均約12KM）平均以6℃/KM下降，因而在510KM的高層大氣，比地表冷3050℃），發(fā)射的熱輻射量比較小，因此這些高層的溫室氣體吸收了大量或全部（看作黑體）由地表和低層大氣發(fā)射的長波輻射，但向外發(fā)射了比其吸收小得多的長波輻射。這比沒有這些水汽與溫室氣體情況下的大氣損失于外空的熱輻射要小得多。因而這些溫室氣體的作用猶如覆蓋在地表上的一層棉被（即被毯作用），棉被的外表比里表要冷，使地表熱輻射不致于無阻擋地逸向外空，從而使地表比沒有這些溫室氣體時更為溫暖。從輻射傳輸?shù)挠^點看，也可以認為是增加了中、上層大氣中溫室氣體、水汽、云等向下放射的長波輻射，使地表和近地面空氣增溫。由上可見，地球上如果沒有溫度隨高度減小的溫度垂直分布，就不會有溫室效應。,溫室氣體和水汽對紅外輻射的吸收是在不同的光譜帶發(fā)生的。整個吸收譜相當復雜，如溫室氣體中最重要的二氧化碳（CO2）其吸收帶有15ΜM，10ΜM，52ΜM，43ΜM以及27ΜM和20ΜM，其中最強的是15與43ΜM兩個吸收帶。在氣候變化的研究過程中，曾有人認為大氣CO2吸收帶已經(jīng)飽和，因而溫室效應已經(jīng)達到飽和，即使將來CO2濃度再增加也不會產(chǎn)生明顯的溫室效應。但事實并非如此，許多紅外光譜與大氣輻射的研究表明，CO2的吸收作用或溫室效應在15ΜM的中心波段確實已經(jīng)達到飽和，但在CO2整個吸收區(qū)間（1418ΜM）（尤其是中心峰值的兩翼）以及其它吸收波段（如10ΜM，52ΜM等）遠未達到飽和，最近的將來也不會達到飽和。,應該指出，不論地表和大氣內(nèi)部的物理過程如何復雜，都如本講開始時所指出，進入與離開大氣頂?shù)妮椛淠芰恐g必需保持平衡。由圖8，在有云的大氣中，進入大氣的凈太陽輻射為240W/M2，則射出的長波輻射必需也有這個量。這種平衡一旦被破壞，它可以通過地球表面溫度的升高來恢復平衡。由于大氣成分中存在著自然產(chǎn)生的溫室氣體、云和水汽，通過它們產(chǎn)生的正輻射強迫和溫室效應，即自然的溫室效應可使地表增暖，溫度比沒有這些溫室氣體和水汽條件下的大氣上升了33℃，即從19℃（雪球）上升到14～15℃。這是地球上適合生命存在的溫度，可以說，沒有自然的溫室效應，生命就難以維持。火星與金星上有類似的自然溫室效應，但由于CO2含量和溫度與地球不同，它們最后達到的平衡行星溫度不是太高就是太低，不適合生命的存在。,圖8大氣頂?shù)娜蜉椛淦胶夂唸D。太陽輻射的凈輸入必須被地球的凈紅外輻射輸出平衡（240W/M2）。入射太陽輻射的三分之一被反射回太空（103W/M2），其余主要被地表所吸收。射出的長波輻射被溫室氣體和云吸收，使地球比沒有溫室效應時要高33℃左右。,可以造成全球輻射平衡破壞的主要因子也可以是由于人類活動引起的大氣中溫室氣體的增加。由此而造成的地表溫度的進一步增加被稱為增強的溫室效應。因而，這種增強的溫室效應實際上是由于人類活動引起的附加在自然溫室效應之上的一種溫室效應。雖然其量值比自然溫室效應小得多，但其增暖作用的意義是非常重要的。通過這種人為的溫室效應，可進一步增強阻止長波輻射向外輻射的被毯作用，這就意味著高層大氣向外空放射長波輻射進一步減少。從輻射傳輸和輻射平衡的角度看，相當于大氣頂產(chǎn)生一向下的輻射通量密度增加，而使大氣頂輻射不平衡（凈長波減少）。因而地表溫度將會進一步增加以響應這種不平衡（輻射強迫）直到大氣頂射出的凈長波輻射量又等于入射的凈太陽輻射。當?shù)厍蛳到y(tǒng)完全向這種人類活動引起的輻射強迫調(diào)整后，地球的平均溫度將會增加到某一量值的溫度以響應增強的或人為的溫室強迫作用（圖9）。,圖9說明了自然的溫室效應（圖9A）與增強的溫室效應（圖9C）。在圖4中，由于大氣中水汽和溫室氣體的存在，使地球的溫度由19℃上升15℃。如果由于人類的排放，大氣中CO2濃度增加一倍（圖9B），這時大氣頂?shù)妮椛淦胶鈱⑹艿狡茐?，由于增加的CO2攔截了地球和大氣放射的長波輻射，使離開大氣的長波輻射量只有236W/M2，因而氣候系統(tǒng)內(nèi)部將進行調(diào)整，以恢復原有的平衡。根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼公式（TG是地表平均溫度），地表必須升溫12℃。溫度升高之后，根據(jù)克勞修斯克拉珀龍方程，大氣中的水汽將增加，這將使溫室效應進一步加強。通過這種正反饋作用，地表的增溫將不是12℃，而是25℃，所以反饋作用是非常明顯的。,,圖9地球的自然溫室效應和增強的溫室效應示意圖。（A）自然的溫室效應；（B）CO2濃度增加到原來的2倍。（C）增強的溫室效應。（D）反饋作用4,“最近50年的氣候變化是由人類活動產(chǎn)生的”這一結(jié)論的可信度提高,IPCC關(guān)于氣候變化成因的認識逐步深化第三次評估報告（2001年）新的、更強的證據(jù)表明，過去50年觀測到的大部分增暖“可能”歸因于人類活動（66％以上可能性）；第四次評估報告（2007年）人類活動“很可能”是氣候變暖的主要原因（90％以上可能性）（圖1012）,圖10全球平均溫度距平。黑線觀測。灰線多模式（13個）集成模擬。（A）人類活動自然強迫；（B）只有自然強迫,圖11不同地區(qū)氣溫變化原因的模擬結(jié)果（19062005）黑線觀測值紅色人類變化自然變化藍色自然變化,圖12過去1100年的輻射強迫和模擬的溫度（A）火山活動，（B）太陽輻射變化，（C）所有強迫，（E）北半球年溫度（分別對人類活動和自然強迫）,有三個原因把工業(yè)化后CO2增加趨勢歸因于化石燃料燃燒,（1）南極和格林蘭冰芯記錄表明大氣中CO2開始增加的時間是在工業(yè)革命前后，從那以后，其濃度變化大致與化石燃料消耗的增長率相近。（2）北半球大氣CO2濃度比南半球的高幾個PPMV，因為大多數(shù)最強的排放源位于北半球。（3）大氣中氧含量每年減少3PPMV，這與大氣中CO2增加是相對應的，因為CO2是燃燒的一種產(chǎn)品。,氣候變化的驅(qū)動力之三氣候的內(nèi)部變率,,,迭加在氣候變暖趨勢線上的冷暖異常期被稱為氣候脈動或氣候變率。這種氣候變率具有不同時間尺度和空間尺度。短的只有幾十天，長的可達幾十年；范圍小的只有幾百或上千公里，范圍大的可達半球尺度。它們形成的原因與外強迫或溫室氣體增加引起全球氣候變化不同，主要是由大氣內(nèi)部的變率和氣候系統(tǒng)各圈層之間的耦合變率造成，統(tǒng)稱為氣候的內(nèi)部變率。值得指出，耦合變率由圈層之間的相互作用產(chǎn)生。可由海洋、陸地、生物圈和冰凍圈對大氣的強迫產(chǎn)生，它在本質(zhì)上與大氣內(nèi)部動力過程產(chǎn)生的內(nèi)部變率不同。這種變率本質(zhì)上由大氣波動的形成，傳播，振蕩和不穩(wěn)定發(fā)展造成（圖13），它們不但可以通過波能的傳播或波導影響下游的天氣氣候異常，而且可以發(fā)生定常性傳播，使一個地區(qū)的天氣或氣候異常傳播到很遠的地區(qū)（即大氣遙相關(guān)）。,圖13大尺度羅斯貝波、遙相關(guān)和大氣振蕩示意圖,另外，在耦合強迫或人類活動產(chǎn)生的氣候變化背景下，大氣中出現(xiàn)大尺度靜止性振蕩，表現(xiàn)為此起彼伏地翹翹板形式的變化。這種現(xiàn)象被稱為大氣濤動。它們可形成優(yōu)勢的氣候異常模態(tài)。它們也是大氣波動變化的一種形式。能夠產(chǎn)生天氣變化和氣候異常的大氣波動最主要的是大尺度行星波，其次是重力波，聲波的作用可以忽略。在地球上大尺度行星波的波長一般在幾千公里到一萬公里左右，其最簡單的形式就是羅斯貝（ROSSBY）波。這種波是由于在旋轉(zhuǎn)的地球上柯利奧里斯參數(shù)（是緯度,是地球自轉(zhuǎn)角速度）隨緯度的變化產(chǎn)生。波動一旦產(chǎn)生，波動本身相對于大氣的基本氣流以每秒幾米的速度向西漂移或傳播，波長越長，向西傳播的相速度越大。,,,,,三維的羅斯貝波不但可以考慮水平傳播，還可以垂直傳播（如由對流層到平流層或反之）。應該指出，大氣中的波動也可由地球上赤道與極地的南北或經(jīng)向溫度差造成，圖13的左側(cè)說明，由于熱帶地區(qū)接受的太陽輻射多于射出的長波輻射，凈的輻射平衡是正，即輻射是盈余的，而高緯和極區(qū)正好相反，是虧損的，因而熱量必須通過大氣與洋流從熱帶向極區(qū)輸送以達到全球輻射的平衡，同時建立了從熱帶指向極區(qū)的經(jīng)向溫度梯度。并通過斜壓不穩(wěn)定產(chǎn)生大尺度行星波（又稱斜壓波），承擔這種熱量的南北輸送或交換,在實際大氣中，情況比上述單一的簡諧波要復雜得多。一個天氣擾動可以看成是由許多不同振幅，不同頻率的簡諧波疊加而成，這種合成波稱為波群或波包。波群傳播的速度稱為群速，它與相速是有差別的。群速是波動頻散理論中最重要的概念之一。從動力學觀點，它代表能量傳播的速度。,大氣是頻散介質(zhì)，當大氣中產(chǎn)生了某種擾動后，其能量是按群速傳播的。當群速CG0時，若群速大于相速（C），即CGC，擾動能量先于波動向下游傳播，在下游產(chǎn)生新的擾動或使下游原有的擾動增強，這種效應稱為上游效應。因此羅斯貝波作為旋轉(zhuǎn)大氣中最重要的頻散波，它的頻散對大尺度天氣和氣候的演變是非常重要。它的形成或被激發(fā)，傳播，振蕩和不穩(wěn)定發(fā)展是造成大氣中天氣與氣候變化和異常的直接原因。如果沒有外源作用，由于能量的頻散，大尺度擾動終將消失，所以外源或外強迫（加熱場，地形等）作用對于激發(fā)羅斯貝波是很重要的。概括起來，大尺度大氣波動能夠通過下列五種方式影響氣候異常和氣候變化。,概況起來，大尺度大氣波動能夠通過下列五種方式影響氣候異常和氣候變化。（1）羅斯貝波波動的傳播和能量頻散與擾動的發(fā)展。羅斯貝是頻散波。在沿緯向方向，它的群速度總是大于相速度的，因而它可以先于羅斯貝波波峰（波脊）和波谷（波槽）到達之前在下游引起新的擾動發(fā)展或使原擾動加強（或減弱），從而引起下游地區(qū)天氣或氣候的異常。此外，羅斯貝波的不穩(wěn)定性，即它的發(fā)展和減弱，新生和消失以及波動狀況的調(diào)整（如移動變靜止，波數(shù)變化等）也能影響天氣與氣候，尤其是和當波動的槽脊振幅不斷加大形成準靜止的南北振幅很大的定常波動時（即由阻塞高壓和切斷低壓組成氣壓場偶極子型時）對天氣氣候的異常影響更為明顯和持久。一個突出的例子是在2008年1月102月5日中國南方罕見的低溫、冰凍、雨雪災害發(fā)生時，在歐亞地區(qū)出現(xiàn)了持久性阻塞高壓形勢，它不斷地導致冷空氣從西伯利亞和中亞從西方侵入中國，造成了中國南方極端異常的天氣氣候條件。,（2）定常波的波導與大氣遙相關(guān)當移動性羅斯貝波變成定?；蜢o止波時，通過其波峰和波谷的局地振蕩，也可以把波動的影響逐次向下游傳播很遙遠的地區(qū)，影響哪里的天氣與氣候異常。因而一個地方如果通過加熱或地形作用激發(fā)出了波動，它們常常以定常波的形式在球面上沿大圓路徑傳播。如果波動在低緯由大量對流加熱激發(fā)產(chǎn)生，它可以向東北方向傳播到達中高緯度并在一定緯度（稱臨界緯度），它開始折轉(zhuǎn)向東南方向傳播，因而波動的影響可以到達離波動發(fā)生區(qū)很遠的地點。這種在球面上按大園路徑傳播的情況十分類似于光學中的思涅爾（SNELL）折射定律。這種不是在臨近地區(qū)產(chǎn)生影響，而是很遙遠地區(qū)發(fā)生作用或影響的現(xiàn)象被稱為大氣遙相關(guān)。在大氣中有許多種遙相關(guān)型，例如中國的氣候異?；蜃兓墒艿絹碜詺W洲到北大西洋遙相關(guān)型的影響，同時也可以受到來自印度季風區(qū)和熱帶西太平洋暖池地區(qū)（海洋溫度很高的地區(qū)）遙相關(guān)的影響。這大大增加了氣候變化預測的復雜性和困難。遙相關(guān)的本質(zhì)主要是羅斯貝波能量波導現(xiàn)象的結(jié)果。在中緯度中高層，主要由緯向波數(shù)5（波長近1萬公里）左右的羅斯貝傳輸。在傳輸?shù)倪^程中可以造成大圓路徑中氣候的異常與變化。由遙相關(guān)作用形成的波導可以圍繞整個全球傳播，在其路徑上引起風、氣壓的定常振蕩或變化。圖14是夏季北半球遙相關(guān)的概略圖（丁慶華，BINWANG）。,（3）大氣振蕩和優(yōu)勢環(huán)流型式全球大氣環(huán)流有不少優(yōu)勢的環(huán)流變化型式，它們常常表現(xiàn)為兩個大氣環(huán)流中心的耦合振蕩，即呈翹翹板式的呈反向的強弱變化，兩者具有很高的相關(guān)性，其時間尺度有年際的，也有幾十年的。如果在某一大范圍地區(qū)某一時期被這種振蕩的某一相位（正或負）所控制，則氣候會出現(xiàn)具有明顯特征的持續(xù)性異常或變化。在兩個固定的環(huán)流中心振蕩的不同地區(qū)，氣候狀態(tài)可能完全相反，并在振蕩的不同位相，風暴路徑的位置，強度以及相關(guān)的熱量、水汽和動量南北輸送都不相同，因而對于一個地區(qū)旱、澇、熱浪、寒潮和其它種類氣候變化的發(fā)生十分重要。從物理本質(zhì)上這種優(yōu)勢環(huán)流型或振蕩的形成也是大氣遙相關(guān)或定常波傳播的一種表現(xiàn)，通過這種振蕩型控制著從季節(jié)到幾十年時間尺度的大范圍地區(qū)的氣候異常與變化。大氣振蕩的研究已有近百年的長期歷史，概括起來至少有5種形式南方濤動（SO，印度季風區(qū)與東南太平洋海平面氣壓有反相振蕩），北大西洋濤動（NAO，冰島低壓和亞速爾高壓有反相振蕩），北極濤動（AO，也稱北半球環(huán)狀模（NAM），極地渦旋與環(huán)繞它的高壓帶成反向振蕩），南極濤動（AAO，也稱南半球環(huán)狀模（SAM），南極渦旋與圍繞它的高壓帶成反向振蕩），太平洋年代尺度振蕩（PDO）和北太平洋年代際振蕩（IPO）（兩種振蕩基本類似，有相同的時間演變，但后者是前者在太平洋地區(qū)的擴展，它表示阿留申低壓與北太平洋海表溫度的同時變化）（見圖1518）。,圖14全球遙相關(guān)型,圖15PNA（太平洋北美型）（左）和NAO（北大西洋濤動）遙相關(guān)型（右）。19582005年，北半球冬季500HPA一點相關(guān)圖。負相關(guān)為虛線。,圖16左上圖年平均海平面氣壓（南方濤動指數(shù)）的相關(guān)，右上圖地表溫度（1952004年）。左下圖19792003GPCP降水。右下圖據(jù)達爾文港計算的SOI（負海平面氣壓距平（紅色線為ELNINO）。,圖17上圖太平洋年代尺度振蕩（19012004，SST海溫），下圖年平均時間序列,圖18下圖SAM指數(shù)曲線。上圖左850HPASAM高度場。上圖右地表溫度的回歸（19822004年）,,上述優(yōu)勢環(huán)流型的形成與耦合的海氣強迫密切關(guān)系；近來的研究表明，也可能與人類活動造成的氣候變化有關(guān)聯(lián)。從前面的闡述中可知，全球氣候變化是輻射強迫擾動的結(jié)果，它與耦合的海氣強迫（氣候系統(tǒng)內(nèi)部變化）從物理上不同。但是因為氣候的運動方程是非線性的，輻射強迫擾動可能會快速地激發(fā)氣候變率的自然模態(tài)，因而長期的氣候變化預測的準確性可能對這些時間尺度的氣候異常與變化有重要影響。,（4）波動能量的垂直傳播與平流層對氣候變化的影響很早以前，人們認為平流層大氣（1250KM）和對流層大氣是很不相同的，兩者基本上是由位于12KM左右的對流層頂分開的。上世紀60年代以后開始從動力學上認識到兩者是通過波動耦合起來的。人們發(fā)現(xiàn)起源于對流層的行星尺度羅斯貝波，重力波，混合型羅斯貝重力波和近赤道地區(qū)的開爾文波，其能量可向上傳播到平流層，以后再在那里被吸收與耗散（臨界層處，大致在緯向風U0高度），同時引起平流層氣流的變化。但反過來，平流層的變化并不能影響到對流層。因而對流層與平流層之間的相互作用是單向的，即對流層波可影響平流層環(huán)流，而平流層環(huán)流異常不能影響對流層天氣和氣候。這種觀點一直盛行到1990年代。但是在近510年，這種傳統(tǒng)觀點發(fā)生了改變，許多研究證實，高緯大氣環(huán)流變化清楚地反映了平流層和對流層環(huán)流雙向的相互作用，也就是說，平流層與對流層環(huán)流的變化是耦合在一起的，其耦合機制就是波動的垂直傳播。,垂直耦合最明顯的表現(xiàn)是中高緯大氣變率的環(huán)狀模（NAM與SAM，ANNUALMODES）。這種環(huán)流耦合模態(tài)在兩半球在垂直方向從地面擴展到平流層，主要特征是極區(qū)的位勢高度場（相當于氣壓場）與其周圍的中緯高度場上下一致地具有南北方向的振蕩。平流層可以通過三種方式影響對流層的天氣與氣候變化。一是平流層作為對流層的邊界條件，其環(huán)流變化可以以同樣方式擾動對流層，尤其是極地渦旋或高緯西風，從而影響對流層的天氣與氣候，尤其是在一些敏感地區(qū)，其影響程度甚至超過海表溫度，其影響時間可長達2個月。它主要通過由平流環(huán)流異常產(chǎn)生的低頻波（3060天周期）向?qū)α鲗觽鞑崿F(xiàn)的。二是南半球臭氧洞或平流層臭氧耗損能通過環(huán)狀模態(tài)的垂直耦合影響南半球大氣環(huán)流（主要是極地渦旋），這也是一種遙相關(guān)作用。南極臭氧洞與南半球極地渦旋的正反饋作用使兩者都得到加強。從而南極地區(qū)至今并未表現(xiàn)出全球變暖的現(xiàn)象，甚至在其主體，溫度和冰層是增加的。,這實際上反映了平流層與對流層作為一個耦合整體是人類產(chǎn)生的臭氧耗損（平流層冷卻）與溫室氣體增加（也使平流層冷卻）在上邊界產(chǎn)生的一種負輻射強迫作用，它必然導致平流層大氣產(chǎn)生低頻的變化與響應，以后又引起對流層大氣環(huán)流的變化與響應。類似地，太陽活動（如11年周期）也會引起平流層輻射強迫的變化，這種信號同樣通過激發(fā)低頻變化在平流層和對流層中傳播，甚至在海洋上表層產(chǎn)生影響。三是平流層通過大氣垂直和水平波導可能提供連接熱帶地區(qū)與中高緯地區(qū)或北太平洋與大西洋間的一個橋梁，從而增加了氣候的可預報性。,（5）熱帶行星波的傳播及其對中高緯天氣氣候的影響。熱帶大氣運動與全球天氣和氣候變化有著密切的關(guān)系。這主要是通過熱帶大氣波動的緯向、經(jīng)向和垂直傳播實現(xiàn)的。在熱帶地區(qū)，存在著兩種行星尺度的波動一種是在近赤道地區(qū)向東傳播的開爾文波（KELVIN）；一種是向西傳播的混合型羅斯貝重力波。這兩種波動的波長都在10000公里左右。開爾文波與地球旋轉(zhuǎn)效應無關(guān)，本質(zhì)上是旋轉(zhuǎn)地球上的純重力波，而混合型羅斯貝重力波與地球的旋轉(zhuǎn)效應F有關(guān)，本質(zhì)上是羅斯貝波與重力慣性內(nèi)波的混合波。它們產(chǎn)生的原因主要與熱帶對流云釋放的潛熱加熱有關(guān)。當這些波動分別向東、向西傳播時，它們產(chǎn)生的氣壓與風場擾

簡介：,,,,,,,,,,,,,,第二章,軸向拉伸和壓縮,本章要點,（1）橫截面上正應力計算公式（2）拉壓虎克定律（3）拉壓靜不定問題求解,重要概念,平面假設、軸力、拉壓虎克定律、拉壓靜不定、應力集中、拉壓變形能,,,,,,,目錄,§21軸向拉伸和壓縮的概念,§22軸向拉壓時橫截面上的內(nèi)力和應力,§23直桿軸向拉伸或壓縮時斜截面上的應力,§24材料在拉伸和壓縮時的力學性能,§25許用應力安全系數(shù)拉壓強度,§26軸向拉伸或壓縮時的變形,§27直桿軸向拉伸或壓縮時的變形能,§28應力集中的概念,§29拉（壓）超靜定問題,,,,§21軸向拉伸和壓縮的概念,所謂的軸向拉伸和壓縮是指作用于桿件上的外力合力的作用線與桿件的軸線重合時，桿件沿著軸線方向發(fā)生的伸長或縮短。,一、基本概念,1、受力特點外力或外力合力的作用線與桿軸線重合,2、變形特點軸向伸長或縮短,二、舉例說明,完,目錄,§22軸向拉壓時橫截面上的內(nèi)力和應力,一軸力及軸力圖,軸力的概念,（1）舉例,,因F力的作用線與桿件的軸線重合，故，由桿件處于平衡狀態(tài)可知，內(nèi)力合力的作用線也必然與桿件的軸線相重合。,用截面法將桿件分成左右兩部分，利用軸方向的平衡可得,結(jié)論,（2）定義上述內(nèi)力的合力N就稱為軸力（其作用線因與桿件的軸線重合而得名）。,2軸力正負號規(guī)定,,②壓縮時的軸力為負，即壓力為負。,①規(guī)定引起桿件拉伸時的軸力為正，即拉力為正；,（1）作法,B、選一個坐標系，用其橫坐標表示橫截面的位置，縱坐標表示相應截面上的軸力；,（2）舉例,A、用截面法求出各段軸力的大??；,3軸力圖,C、拉力繪在軸的上側(cè)，壓力繪在軸的下側(cè)。,求支反力R,由整桿的平衡方程,,用截面法求AB段軸力，保留11截面左部,,,,同理可求出BC、CD、DE段內(nèi)的軸力分別為,解、,用截面法求出各段軸力,單位KN,,,選一個坐標系，用其橫坐標表示橫截面的位置，縱坐標表示相應截面上的軸力。,拉力繪在X軸的上側(cè)，壓力繪在X軸的下側(cè)。,③根據(jù)軸力圖的作法即可畫出軸力圖,思考題,在畫軸力圖之前，能否使用理論力學中學過的力的平移原理將力平移后再作軸力圖,二、應力,1、平面假設,實驗受軸向拉伸的等截面直桿，在外力施加之前，先畫上兩條互相平行的橫向線AB、CD，然后觀察該兩橫向線在桿件受力后的變化情況。,變形前，我們在橫向所作的兩條平行線AB、CD，在變形后，仍然保持為直線，且仍然垂直于軸線，只是分別移至A’B’、C’D’位置。,實驗現(xiàn)象,變形前為平面的橫截面，變形后仍保持為平面。平面假設,實驗結(jié)論,,對于等直桿，當有多段軸力時，最大軸力所對應的截面危險截面。危險截面上的正應力最大工作應力，其計算公式應為,拓展,應力正負號規(guī)定,規(guī)定拉應力為正，壓應力為負（同軸力相同）。,2、公式（21）的應用范圍,①外力的合力作用必須與桿件軸線重合,②不適用于集中力作用點附近的區(qū)域,③當桿件的橫截面沿軸線方向變化緩慢，而且外力作用線與桿件軸線重合時，也可近似地應用該公式。,如左圖,公式（21）的適用范圍表明公式不適用于集中力作用點附近的區(qū)域。因為作用點附近橫截面上的應力分布是非均勻的。隨著加載方式的不同。這點附近的應力分布方式就會發(fā)生變化。理論和實踐研究表明加力方式不同，只對力作用點附近區(qū)域的應力分布有顯著影響，而在距力作用點稍遠處，應力都趨于均勻分布，從而得出如下結(jié)論，即圣維南原理。,3、圣維南原理,（1）問題的提出,作用于彈性體上某一局部區(qū)域內(nèi)的外力系，可以用與它靜力等效的力系來代替。經(jīng)過代替，只對原力系作用區(qū)域附近有顯著影響，但對較遠處，其影響即可不計。,由圣維南原理可知下圖中的B、C、D都可以用同一計算簡圖（A）來代替，從而圖形得到很大程度的簡化。,（2）圣維南原理,（3）圣維南原理運用,一橫截面為正方形的磚柱分為上下兩段，其受力情況，各段長度及橫截面尺寸如圖所示。已知P50KN，試求荷載引起的最大工作應力。,4、舉例,解,（一）作軸力圖如圖所示,（二）由于此柱為變截面桿，上段軸力小，截面積也小，下段軸力大，截面積也大，故兩段橫截面上的正應力都必須求出，從而確定最大的正應力。,,（壓應力）,由上述結(jié)果可見，磚柱的最大工作應力在柱的下段，其值為11MPA,是正應力。,完,目錄,§23直桿軸向拉伸或壓縮時斜截面上的應力,上節(jié)中我們分析了拉（壓）桿橫截面上的正應力，這是特殊截面上的應力，現(xiàn)在我們來研究更一般的情況，即任一截面上的應力，對不同材料的實驗表明，拉（壓）桿的破壞并不都沿橫截面發(fā)生，有時卻是沿某一斜截面發(fā)生的。,、斜截面上應力公式推導,橫截面是指垂直桿軸線方向的截面；斜截面與桿軸線不相垂直的截面。,1基本概念,①全應力,②正應力,③切應力,2公式推導（采用截面法）,（23）,（24）,二、討論上述公式,,,,從上可知、均是的函數(shù)，所以斜截面的方位不同，截面上的應力也不同。,達最大值，同時達最小值,（26）,,,完,目錄,材料在外力作用下，強度和變形方面所表現(xiàn)出的性能。,§24材料在拉伸和壓縮時的力學性能,重要內(nèi)容,金屬材料的材料力學性質(zhì)包括低碳鋼和鑄鐵非金屬材料的力學性質(zhì)包括混凝土、木材及玻璃鋼,一、材料力學性質(zhì)的定義,1、低碳鋼C≤03拉伸實驗及力學性能,標準試件（低碳鋼、鑄鐵）,ΣP比例極限ΣE彈性極限ΣS屈服極限ΣB強度極限,塑性材料的典型代表,試驗設備,萬能試驗機用來強迫試樣變形并測定試樣抗力的機器。,變形儀用來將試樣的微小變形放大到試驗所需精度范圍內(nèi)的儀器。,①延伸率,②斷面收縮率,D≥5塑性材料D＜5脆性材料,塑性指標,L1試件拉斷后的長度,A1試件拉斷后斷口處的最小橫截面面積,冷作硬化現(xiàn)象,構(gòu)件處于強化階段實施卸載。如卸載后重新加載，曲線將沿卸載曲線上升。,如對試件預先加載，使其達到強化階段，然后卸載；則，當再加載時試件的線彈性階段將增加，同時其塑性降低。稱為冷作硬化現(xiàn)象,材料性質(zhì)D較大，屬塑性材料。,2、其它金屬材料拉伸時的力學性能,上述這些金屬材料無明顯屈服階段，規(guī)定以塑性應變ES02所對應的應力作為名義屈服極限，記作S02,3、測定灰鑄鐵拉伸機械性能SB,強度極限,SB拉伸強度極限，脆性材料唯一拉伸力學性能指標。拉伸曲線中應力應變不成正比例，且無屈服、頸縮現(xiàn)象，總變形量很小且SB很低。,脆性材料的典型代表,4、金屬材料壓縮時的力學性能,比例極限SPY，屈服極限SSY，彈性模量EY基本與拉伸時相同。,①低碳鋼壓縮實驗,E,SBYSBL，鑄鐵抗壓性能遠遠大于抗拉性能，斷裂面為與軸向大致成45O～55O的滑移面破壞。,②鑄鐵壓縮實驗,,塑性材料斷裂前變形大，塑性指標高，抗拉能力強。常用指標屈服極限，一般拉和壓時的?S相同。脆性材料斷裂前變形小，塑性指標低。常用指標是SB、SBC且SBSBC。,③塑性和脆性材料變形和破壞特點,5、非金屬材料的力學性能,1混凝土近似均質(zhì)、各向同性材料。屬脆性材料，工程中一般用于受壓構(gòu)件的制作。2）木材各向異性材料。3）玻璃鋼玻璃纖維與熱固性樹脂粘合而成的復合材料各向異性材料。優(yōu)點是重量輕，強度高，工藝簡單，耐腐蝕。,思考題,2、低碳鋼的同一圓截面試樣上，若同時畫有兩種標距，試問所得伸長率D10和D5哪一個大,1、強度極限SB是否是材料在拉伸過程中所承受的最大應力,完,目錄,ΣP比例極限ΣE彈性極限ΣS屈服極限ΣB強度極限,§25許用應力安全系數(shù)拉壓強度,,強化階段圖中鋸齒形部分至之間的曲線段稱為強度階段，稱為強度極限。,一、基本概念,1、極限應力,構(gòu)件在外力作用下，當內(nèi)力達到一定數(shù)值時，材料就會發(fā)生破壞，這時，材料內(nèi)破壞點處對應的應力就稱為危險應力或極限應力。,,,2、強度條件,①塑性構(gòu)件在荷載作用下正常工作條件是,式中大于1的系數(shù)，稱為安全系數(shù),12525。,,②脆性構(gòu)件在荷載作用下正常工作條件是,由此，我們得材料的強度條件為,（212）,式中,NB大于1的系數(shù)，稱為安全系數(shù),2530，甚至414,確定安全系數(shù)要兼顧經(jīng)濟與安全，考慮以下幾方面,（1）極限應力的差異；（2）構(gòu)件橫截面尺寸的變異；（3）荷載的變異；（4）計算簡圖與實際結(jié)構(gòu)的差異；（5）考慮強度儲備。,標準強度與許用應力的比值，是構(gòu)件工作的安全儲備。,3、安全系數(shù),,,二、強度計算,對于軸向拉壓構(gòu)件，因，于是根據(jù)強度條件，我們可以解決,②設計截面構(gòu)件安全工作時的合理截面形狀和大小,①強度校核判斷構(gòu)件是否破壞,③許可載荷的確定構(gòu)件最大承載能力的確定,例1、圖示空心圓截面桿，外徑D＝18MM，內(nèi)徑D＝15MM，承受軸向荷載F＝22KN作用，材料的屈服應力ΣS＝235MPA，安全因數(shù)N15。試校核桿的強度。,解桿件橫截面上的正應力為,1、強度校核,,2、截面設計,例2、如圖所示，鋼木組合桁架的尺寸及計算簡圖如圖A所示。已知P16KN，鋼的許用應力?120MPA,試選擇鋼拉桿D1的直徑D,,材料的許用應力為,顯然，工作應力大于許用應力，說明桿件不能夠安全工作。,,解（1）求拉桿D1的軸力N,用一假想載面MM截取桁架的ACJ部分（圖B），并研究其平衡,從而,取D92MM,考慮到實際工程中，用于圓拉桿的圓鋼的最小直徑為10MM，故可選用D10MM,3、許可載荷的確定,例3、圖示結(jié)構(gòu)中①桿是直徑為32MM的圓桿，②桿為2NO5槽鋼。材料均為Q235鋼，E210GPA。求該拖架的許用荷載F。,解1、取B為研究對象，并作受力圖如圖所示。,2、計算各桿軸力,AB桿,4、確定許用荷載,3、強度校核,BC桿,完,目錄,§26軸向拉伸或壓縮時的變形,一、等直桿在軸向拉伸或壓縮時的變形,直桿在外力F作用前后的情況如圖中所示,1、軸向變形,,軸線方向線應變,,橫截面上應力,,由虎克定律,（213）,提示公式（213）也是虎克定律的另一種表達形式,物理意義即當應力不超過比例極限時，桿件的伸長?L與F和桿件的原長度成正比，與橫截面面積A成反比。,式中EA桿件的抗拉（壓）剛度。EA越大，?L越小,,2、橫向變形,從圖中可看出，橫向應變?yōu)?,實踐表明當應力不超過比例極限時，橫向應變與軸向應變?之比的絕對值為一常數(shù)，即,,,,?稱為橫向變形系數(shù)或泊松比，是個沒有量綱的量。,,,因?和??的符號總是相反的。故可知,,幾種常用材料的?值請見表22，書P43,,二．變截面桿在軸向拉伸或壓縮時的變形,圖所示，截面尺寸沿軸線變化緩慢，且外力作用線與軸線重合，我們在桿件中取出DX微段，由于DX非常微小。故,從而，整個桿件的伸長為,（216）,三、等直桿在分布力系作用下的變形,如圖，等直桿，外力為F，自重集度為Q，長度為L，容重為?彈性模量為E，容許應力為?求伸長?L。,,,分析此題與上面一題非常相似，由于自重的影響，桿內(nèi)各橫截面的軸力不相等，故不能直接應用，而必須從桿的長度為DX的微段出發(fā)，略去無窮小量DNX，用公式（216），并利用積分求得△L,,,作微段的受力分析如圖所示，利用虎克定律可得微段DX的伸長為,,對上式兩邊按桿件長度進行積分，即可求得整個桿件的伸長量為,,,舉例圖示為一簡單托架，BC桿為圓鋼，橫截面直徑D20MM，BD桿為8號槽鋼。若試校核托架的強度，并求B點的位移。設F60KN,解（1）對B點作受力分析，如圖B,由,故,（2）根據(jù)靜力學平衡方程求未知應力,（3）由虎克定律求BC、BD桿的變形,,注本題尚有其他求解方法，要求同學課后思考,完,目錄,§27直桿軸向拉伸或壓縮時的變形能,一、基本概念,大家都知道，我們用手給手表的發(fā)條上過勁后，手表的發(fā)條就能帶動指針的轉(zhuǎn)動，從而顯示時間。在這里，我們給發(fā)條上勁的過程，實際上就是我們對發(fā)條做功的過程，在這個過程中，發(fā)條逐漸聚集了一種能量，當我們停止對發(fā)條作功后，這種能量就會被逐漸地釋放出來對手表的指針做功，推動指針轉(zhuǎn)動。上述提到的發(fā)條實際上就是一種彈性體。上述例子的物理意義彈性體在外力作用下會產(chǎn)生變形。在變形過程中，外力所作的功將轉(zhuǎn)變?yōu)閮Υ嬗趶椥泽w內(nèi)的能量。當外力逐漸減小，變形逐漸消失時，彈性體又是將釋放能量而作功。上面所提到的這種能量，因為是在彈性體變形過程中產(chǎn)生的，因此我們就稱其為變形能。,1、引例,2、定義在外力作用下，彈性體因變形而儲存的能量，稱為變形能或應變能。,,,則,設直線的斜率為K,3、變形能的計算,,請看上圖，桿件的上端固定，下端作用一外力F，F(xiàn)由零逐漸增加到F。在比例極限的范圍之內(nèi)，關(guān)系見右圖。,當外力加到F1時，桿件的伸長量用?L1表示。,當外力加到F?F1時，桿件的伸長量用?L1D?L1表示。,,,由于?F1為無窮小量，在區(qū)間A,B內(nèi)我們可近似地認為F1為常量，則在這個區(qū)間內(nèi)外力作的功為,,,從上圖中可看出DW在數(shù)值上等于陰影部分ABCD的面積，當我們把拉力F看作是一系列DF1的積累時，則拉力F所作的總功W應為上述微分面積的總和。即W等于F?L線下與水平軸之間區(qū)域的面積。,,,即,根據(jù)功能原理可知拉力F所作的功應等于桿件所儲存的變形能。（緩慢加載，動能忽略，熱能微小，也可忽略）桿件的變形能用U表示，則,,（217）,由虎克定律,,可知,,（218）,由于整個桿件內(nèi)各點的受力是均勻的，故每單位體積內(nèi)儲存的變形能都相同，即比能相等，通常比能用U表示。,,比能,∵,,∴,,（線彈性范圍內(nèi)）,單位比能的單位為J/M3,解,例求圖示桿系的應變能，并按彈性體的功能原理求結(jié)點A的位移?A。已知F10KN,桿長L2M，桿徑D25MM,?30°，材料的彈性模量E210GPA。,F,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,,,,,,A,,,,,,,,,A,,,,,,1,2,而,F,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,,,,,,A,,,,,,,,,A,,,,,,1,2,思考題1、應變能的計算不能使用力的疊加原理。想一想原因是什么2、如果桿件因為荷載或截面尺寸連續(xù)改變等原因而發(fā)生不均勻軸向變形，比如等直桿受自重荷載作用時，如何計算桿件的應變能,完,目錄,§28應力集中的概念,應力集中現(xiàn)象由于構(gòu)件截面突然變化而引起的局部應力發(fā)生驟然變化的現(xiàn)象。,靜載下，塑性材料可不考慮，脆性材料（除特殊的，如鑄鐵）應考慮。動載下，塑性和脆性材料均需考慮。,應力集中程度與外形的突變程度直接相關(guān)，突變越劇烈，應力集中程度越劇烈。,理想應力集中系數(shù),其中,最大局部應力名義應力（平均應力）,目錄,一、靜定與超靜定的概念,1、靜定問題僅利用靜力學平衡方程就可求解出全部未知力的問題稱為靜定問題。相應的結(jié)構(gòu)稱靜定結(jié)構(gòu)。,2、超靜定問題僅利用靜力學平衡方程無法確定全部未知力的問題稱為超靜定問題或靜不定問題。相應的結(jié)構(gòu)稱超靜定結(jié)構(gòu)或靜不定結(jié)構(gòu)。,§29拉（壓）超靜定問題,特點未知力（外力或內(nèi)力）的個數(shù)等于獨立的平衡方程數(shù)目。,特點未知力的個數(shù)多于獨立的平衡方程數(shù)目。,二、實例,如圖所示當把螺母旋進1/4圈以后，螺栓必然受到拉力而N1而使筒受到壓力N2，由于在這里求解N1，N2的靜力平衡方程只有一個,,三、靜不定次數(shù)（超靜定次數(shù)）未知力數(shù)目獨立平衡方程的數(shù)目。,四、求解步驟,（1）通過分析多余未知力的數(shù)目和獨立平衡方程的數(shù)目，判明是否屬靜不定問題，若是靜不定問題，屬幾次靜不定問題。,（2）建立靜力學平衡方程。,（3）根據(jù)構(gòu)件之間的變形關(guān)系，找出幾何方程。,（4）根據(jù)虎克定律建立物理方程。,（5）根據(jù)靜力平衡方程、幾何方程、物理方程求解出全部求知力。,注關(guān)鍵步驟找?guī)缀畏匠?五、靜不定問題的解法舉例,（1）建立靜力學平衡方程,（2）尋找?guī)缀畏匠?（3）建立物理方程,,1,3,2,（4）依據(jù)幾何方程和物理方程確立變形協(xié)調(diào)條件（或稱相容方程、補充方程）,4,（5）聯(lián)立方程（1）、（4），即可求解未知力,解題關(guān)鍵點找?guī)缀畏匠?、建立協(xié)調(diào)條件方程。,同學思考,1、如圖所示結(jié)構(gòu)中，1，2桿抗拉剛度為E1A1，3桿抗拉剛度為E1A1，求各桿內(nèi)力,解1）取A結(jié)點研究，作受力圖如圖所示,（1）,由于未知力個數(shù)是2個（N1和N3），而平衡方程數(shù)只有1個，故為一次超靜定問題。,三、解題舉例,2）建立靜力學平衡方程,（2）,3）幾何方程,由結(jié)構(gòu)、材料、荷載的對稱性,4）物理方程,（3）,（4）,5）變形協(xié)調(diào)條件,6）聯(lián)立（1），（5）即可求得未知力如下,2、列出求解圖示靜不定結(jié)構(gòu)的靜力學平衡方程、幾何方程和物理方程。,解,1）靜力學平衡方程,2）幾何方程,五、專題裝配應力和溫度應力,1、裝配應力的求解（舉例說明）,,裝配應力（對于一個靜不定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)裝配過程中產(chǎn)生的應力）和溫度應力（對于一個靜不定結(jié)構(gòu)，溫度變化導致構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的應力）問題均為靜不定問題中的一種，屬特殊的靜不定問題。因此，該兩種問題的求解方法與前述靜不定問題的求解方法一致。,如圖所示，3桿因制造誤差，比設計尺寸短了?，求強行裝配之后，各桿內(nèi)產(chǎn)生的裝配應力。,,2）建立靜力學平衡方程（根據(jù)受力圖）,3）建立幾何方程（根據(jù)幾何變形圖）,1）取A點為研究對象，畫受力圖和幾何變形圖如圖所示,（1）,（2）,4）物理方程,5）變形協(xié)調(diào)條件,（3）,（4）,6）聯(lián)立（1），（4）即可求得未知力,1）平衡方程,2）幾何方程,2、溫度應力的求解（舉例說明）,解,4）變形協(xié)調(diào)條件,5）由變形協(xié)調(diào)條件可直接求得桿端約束反力,3）物理方程,?線脹系數(shù),進而求得構(gòu)件橫截面上溫度應力為,同學思考,1、如圖所示，鋼柱與銅管等長為L，置于二剛性平板間,受軸向壓力F。鋼柱與銅管的橫截面積、彈性模量、線膨脹系數(shù)分別為ＡS、ＥS、?S，及ＡC、ＥC、?C。試導出系統(tǒng)所受載荷F僅由銅管承受時，所增加的溫度ΔＴ。（二者同時升溫）,2、一薄壁圓環(huán)，平均直徑為D，截面面積為A，彈性模量為E，在內(nèi)側(cè)承受均布載荷Q作用，求圓環(huán)周長的增量。,（1）,（2）,完,謝謝大家,目錄,

簡介：,楊瑩YYMECHPKUEDUCN個人主頁HTTP//CONTROLPKUEDUCN/YANGYING,系統(tǒng)與控制引論,上課時間每周二11－12節(jié)上課地點理教118學時34（1－17周）學分2評分標準平時表現(xiàn)（出勤與討論）占總成績25％，課后作業(yè)25％，實驗10％，期末考試40％。教材RICHARDCDORF,ROBERTHBISHOP，現(xiàn)代控制系統(tǒng)中文版MODERNCONTROLSYSTEMS16本參考書,基本要求希望同學們了解系統(tǒng)與控制理論思想的產(chǎn)生、發(fā)展與應用，掌握系統(tǒng)控制中的最基本思想反饋，掌握系統(tǒng)控制中幾類典型問題的研究方法與實際意義，并學以致用，探討控制論在本專業(yè)具體實際中的應用。力學與工程科學系黃琳院士等為了向全校本科生介紹系統(tǒng)與控制方面的知識，專門成立了通選課指導小組，除了由楊瑩副教授主講外，小組成員將幫助主講教師搜集材料，對具體講解內(nèi)容提出意見與建議，并隨時歡迎同學們就感興趣的問題和我們進行交流。,CYBERNETICSANDCONTROLTHEORY,控制論與控制理論,第一講,控制論,一、控制論產(chǎn)生的背景,社會背景現(xiàn)代社會的生產(chǎn)和管理對于高度自動化水平的需要直接原因二戰(zhàn)期間，維納參加了火炮控制和電子計算機的研制工作。1943年，維納、畢格羅和羅森勃呂特三人共同發(fā)表了行為、目的和目的論，1948年維納發(fā)表了著名的控制論關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學，控制論誕生。理論準備數(shù)學分析,微分方程,統(tǒng)計數(shù)學,信息科學,社會一旦有技術(shù)上的需要，則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進。恩格斯,二、我國古老的自動裝置及其反映的控制思想,什么是自動化一般是指生產(chǎn)、管理和科研過程中，在沒有人的直接干預下，通過一定的技術(shù)裝置，就能達到預定的目標。其中有關(guān)的技術(shù)裝置，就是自動控制裝置。,水鐘,指南車三國時期,噴射飛機始祖”萬戶”約十四世紀末,在這里可以暫時停下來指出一個關(guān)于是非曲直的教訓把中國看作一個有無限勞動力因而不可能發(fā)明和采用節(jié)省勞力措施的文化，這種傳統(tǒng)的歐洲偏見已被許多事實揭穿并真正推翻了我們在以上發(fā)明中就看到這個突出的實例?？傊谶@里中國人是長期優(yōu)先的，而感到驚奇、感激和不開化的人是歐洲人。,參考書①英國科學家李約瑟（JOSEPHNEEDHAM）博士1928年中國科學技術(shù)史SCIENCEANDCIVILIZATIONINCHINA②劉仙洲曾任北洋大學校長，清華大學副校長中國機械工程發(fā)明史,三、近代科學技術(shù)史上的自動裝置,瓦特離心式調(diào)速器,磨,四、控制論的基本概念和方法,1、什么是控制為了改善某個對象的功能，需要獲得并使用信息，以這種信息為基礎(chǔ)而選出的，加于該對象上的作用。2、,因果關(guān)系目的,反饋“一切有目的的行為都可以看作需要負反饋的行為?！毙袨?、目的和目的論突破了動物與機器之間的界限,航行問題,無負反饋時的航線,有負反饋時的航線,1、按偏差進行補償?shù)南到y(tǒng)特點系統(tǒng)中至少有一個將輸出量加以回輸?shù)拈]合環(huán)路，是具有反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。2、按擾動進行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)特點輸入量按負荷的變化而成比例的改變以趨近目標值，是開環(huán)系統(tǒng)，抗干擾能力差。,控制思想,3、黑箱灰箱白箱“知人知面不知心”中醫(yī)“望、聞、問、切”,,,,輸入,輸出,五、控制論的主要分支,工程控制論控制論在工程技術(shù)方面（機械的、電機的和電子的自動控制系統(tǒng)）上的運用。又稱自動控制理論，或簡稱控制理論（CONTROLTHEORY）我國著名科學家錢學森1954年在美國出版了工程控制論一書。三個階段四十至五十年代經(jīng)典控制理論六十至七十年代現(xiàn)代控制理論七十年代以后大系統(tǒng)控制理論,生物控制論體液調(diào)節(jié)，神經(jīng)控制,維持血糖穩(wěn)態(tài)的裝置圖,社會控制論控制論用于社會的生產(chǎn)管理、交通運輸、資源開發(fā)、環(huán)境保護等人口控制經(jīng)濟控制智能控制論控制論的最高階段,宏觀經(jīng)濟的最優(yōu)控制、建立最優(yōu)經(jīng)濟增長模型、最佳消費投資比例、最佳廣告費用、有價證券選擇、金融市場最優(yōu)控制、基本建設投資優(yōu)化問題等等。,控制理論,代替人手,代替人眼,自動反饋控制系統(tǒng),一般自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,,恒溫控制系統(tǒng),水位自動控制系統(tǒng),掌握重要概念反饋,

簡介：第一章緒論,本章重點,一、與相關(guān)課的關(guān)系,1、“理力”、“材力”是“結(jié)構(gòu)力學”的先修課。,（1）“理力”為“結(jié)力”提供基本的力學原理。,（2）“材力”以研究單根桿件為主，“彈力”以研究實體結(jié)構(gòu)與薄壁結(jié)構(gòu)為主，“結(jié)構(gòu)力學”研究的是桿系結(jié)構(gòu)。,2、“鋼結(jié)構(gòu)”、“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”、“磚石結(jié)構(gòu)”、“結(jié)構(gòu)抗震”等是“結(jié)力”的后繼課。,3、“結(jié)力”的特點,（1）系統(tǒng)性一環(huán)套一環(huán)，連鎖反應。（2）靈活性一題多解，殊途同歸。,二、如何選擇結(jié)構(gòu)的計算簡圖,三、各種結(jié)點，支座的計算簡圖形式,四、通過結(jié)構(gòu)力學的學習，逐步培養(yǎng)如下能力,1分析能力,（1）選擇結(jié)構(gòu)計算簡圖的能力,（2）力系平衡分析和變形幾何分析的能力，是結(jié)構(gòu)分析的兩個看家本領(lǐng)，要在反復運用中加以融會貫通，逐步提高，力求達到正確、熟練、靈活運用的水平。,（3）選擇計算方法的能力方法眾多，要了解各種方法的特點和最適用的場合，具有根據(jù)具體問題選擇恰當計算方法的能力。,本章重點,2計算能力,（1）對各種結(jié)構(gòu)進行計算或確定計算步驟的能力,（2）對計算體系進行定量校核或定性判斷的能力,（3）初步具有使用結(jié)構(gòu)計算程序的能力。,3自學能力,自學能力就是在沒有教師指導的情況下自己獲取知識的能力，它包括三個方面,（1）復習已學的知識即精讀教材；,（2）攝取新的知識即閱讀參考書,4表達能力,作業(yè)條理清楚，步驟整齊，計算書書寫整潔。,（3）理解、分析、概括、整理、運用所學知識。,本章重點,鋼結(jié)構(gòu)88層高420M（曾名列亞洲第一、世界第三）,上海金貿(mào)大廈,§11結(jié)構(gòu)力學的研究對象及任務,如房屋結(jié)構(gòu)、,橋梁結(jié)構(gòu)、,特種結(jié)構(gòu)等。,大壩結(jié)構(gòu)、,建筑物和工程設施中承受、傳遞荷載而起骨架作用的部分稱為工程結(jié)構(gòu)，簡稱為結(jié)構(gòu)。,1結(jié)構(gòu),世界第一拱鋼結(jié)構(gòu)跨徑550M,斜拉橋,長江三峽工程,水利工程的拱壩,中國民航飛機,高速列車,宇宙飛船,2結(jié)構(gòu)力學的研究對象,結(jié)構(gòu)力學結(jié)構(gòu)力學,幾門力學課程研究對象比較,材料力學研究單個桿件,彈性力學研究桿件（更精確）、板、殼、及塊體等非桿狀結(jié)構(gòu)。,結(jié)構(gòu)力學研究由桿件系統(tǒng)（FRAMEDSTRUCTURE）組成的工程結(jié)構(gòu),即桿系結(jié)構(gòu),理論力學研究質(zhì)點，質(zhì)點系，剛體,§11結(jié)構(gòu)力學的研究對象及任務,3結(jié)構(gòu)力學的研究任務,2研究結(jié)構(gòu)在荷載等因素作用下的內(nèi)力（強度）及位移（剛度）計算。強度結(jié)構(gòu)在外力作用下是否會破壞的問題。（如橋在火車作用下的內(nèi)力計算問題）。剛度結(jié)構(gòu)在外力作用下變形是否滿足規(guī)定值。（如橋在火車作用下的位移、撓度、轉(zhuǎn)角計算）。,3研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及動力荷載作用下的反應。穩(wěn)定性受壓構(gòu)件在軸向壓力作下，能否保持其直線平衡狀態(tài)。桿件如受壓后變彎失穩(wěn),1研究結(jié)構(gòu)的組成規(guī)則和合理形式。,§11結(jié)構(gòu)力學的研究對象及任務,理論分析、實驗研究和數(shù)值計算三方面。結(jié)構(gòu)力學的計算方法眾多，但所有方法都要考慮下列三方面的條件,（1）力系的平衡條件及運動條件,（2）變形的幾何連續(xù)條件,（3）應力與變形間的物理條件（或稱為本構(gòu)方程）。,4結(jié)構(gòu)力學的研究方法,§11結(jié)構(gòu)力學的研究對象及任務,荷載作用在結(jié)構(gòu)上的主動力。,例如，結(jié)構(gòu)的自重、水壓力、土壓力、風載等，,在建筑物施工和使用期間，大小、位置會發(fā)生變化的荷載。,1、按作用時間的長短分類,長期作用在結(jié)構(gòu)上的不變荷載（如結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重、土壓力等）。,思考恒載和活載對結(jié)構(gòu)的影響有何不同,活載,恒載,廣義荷載還包括使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力的其他因素。例如，溫度變化、基礎(chǔ)沉陷、材料脹縮等。,§12荷載的分類,在結(jié)構(gòu)上的作用位置是移動的（如汽車荷載，吊車荷載）。,2、按作用位置是否固定分類,在結(jié)構(gòu)上的作用位置是固定的（如恒載、風載、雪載）。,固定荷載,移動荷載,§12荷載的分類,3、按荷載作用的性質(zhì)分類,§12荷載的分類,4、按結(jié)構(gòu)與荷載接觸的情況分類,荷載不是直接作用而是通過縱橫梁系間接地作用于結(jié)構(gòu)（主梁上的荷載）。,直接作用于結(jié)構(gòu)上的荷載（縱梁上的荷載）。,直接荷載,間接荷載（結(jié)點荷載）,1、計算簡圖將一個具體的工程結(jié)構(gòu)物用一個簡化的受力圖形來表示。,選擇計算簡圖時，要它能反映工程結(jié)構(gòu)物的如下特征,1．受力特性（荷載的大小、方向、作用位置）；,2．幾何特性（構(gòu)件的軸線、形狀、長度）；,3．支承特性（支座的約束反力性質(zhì)、桿件連接形式）。,選取計算簡圖的原則（1）正確反映實際結(jié)構(gòu)的受力情況和主要性能。（2）略去次要因素，便于分析和計算。,選取計算簡圖時應考慮的因素（1）結(jié)構(gòu)的重要性；（2）設計階段；（3）計算問題的性質(zhì)；（4）計算工具。,§13結(jié)構(gòu)的計算簡圖,對實際結(jié)構(gòu)體系主要進行如下的簡化,1結(jié)構(gòu)整體的簡化（如分解為平面結(jié)構(gòu)）；,2桿件的簡化（桿軸表示，荷載作用桿軸）；,3桿件間連接的簡化（鉸結(jié)點、剛結(jié)點）；,4結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間連接的簡化（支座表示）；,5荷載的簡化（集中荷載、分布荷載）；,6材料性質(zhì)的簡化。,2、簡化方法,§13結(jié)構(gòu)的計算簡圖,1結(jié)構(gòu)整體的簡化（如分解為平面結(jié)構(gòu)）；,多數(shù)情況下，可以忽略一些次要的空間約束，將實際空間結(jié)構(gòu)分解為平面結(jié)構(gòu)。,注意有些結(jié)構(gòu)具有明顯的空間特征而不宜簡化成平面結(jié)構(gòu)。,§13結(jié)構(gòu)的計算簡圖,2、簡化方法,2桿件的簡化（桿軸表示，荷載作用桿軸）；,由于桿件的截面尺寸通常比桿件長度小得多，因此在計算簡圖中，用軸線代替實際桿件。,注意當截面尺寸增大時（如超過長度的1／4）,桿件用其軸線表示的簡化，將引起較大的誤差。,為什么可以請思考,§13結(jié)構(gòu)的計算簡圖,2、簡化方法,5荷載的簡化（集中荷載、分布荷載）；,6材料性質(zhì)的簡化。,在結(jié)構(gòu)計算中，對組成各構(gòu)件的材料一般都假設為連續(xù)的、均勻的、各向同性的、完全彈性或彈塑性的。,3桿件間連接的簡化（鉸結(jié)點、剛結(jié)點等）；,4結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間連接的簡化（支座表示）；,§13結(jié)構(gòu)的計算簡圖,2、簡化方法,3、簡化實例,§13結(jié)構(gòu)的計算簡圖,§13結(jié)構(gòu)的計算簡圖,3、簡化實例,§13結(jié)構(gòu)的計算簡圖,3、簡化實例,§14支座和結(jié)點的類型,一、支座把結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)聯(lián)系起來的裝置。,1活動鉸支座ROLLERSUPPORT限制一個方向的位移,計算簡圖,2固定鉸支座HINGESUPPORT,§14支座和結(jié)點的類型,限制兩個方向位移,3固定端FIXEDSUPPORT,限制三個方向位移,§14支座和結(jié)點的類型,4滑動支座FIXEDSUPPORT,限制兩個方向位移,§14支座和結(jié)點的類型,二、結(jié)點結(jié)構(gòu)中桿件相互聯(lián)結(jié)的地方。,1鉸結(jié)點HINGEJOINT,桿件間不能相對平動，但可以相對轉(zhuǎn)動；結(jié)點具有X向和Y向反力，但無彎矩。,§14支座和結(jié)點的類型,2剛結(jié)點RIGIDJOINT,桿件間不能相對平動，也不能相對轉(zhuǎn)動；結(jié)點處既有X和Y向反力，也有彎矩。,§14支座和結(jié)點的類型,3組合結(jié)點,同一結(jié)點處，有些桿件為剛結(jié)，有些為鉸接。,組合梁（加勁梁）,§14支座和結(jié)點的類型,（1）桿件結(jié)構(gòu)由桿件組成的結(jié)構(gòu)（桿件的幾何特征是橫截面尺寸比長度小很多）。如梁、拱、桁架、剛架。,（2）板殼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的形狀是平面或曲面，它的厚度比長度和寬度小得多。如樓板、地下連續(xù)墻、殼體屋蓋。,1從幾何角度分類,（3）實體結(jié)構(gòu)長、寬、厚三個方向尺寸相當。如大壩、擋土墻。,§15結(jié)構(gòu)的分類,2按受力特性的不同分類,1梁BEAM是一種受彎桿，軸線為直線，有單跨與多跨的。,簡支外伸梁多跨連續(xù)梁,簡支梁懸臂梁,§15結(jié)構(gòu)的分類,2拱ARCH軸線是曲線，豎向荷載作用下產(chǎn)生水平支承推力。,§15結(jié)構(gòu)的分類,3剛架FRAME由直桿組成，并具有剛結(jié)點。BENDING,SHEARINGANDTENSIONORCOMPRESSION）主要以受彎為主。,多跨多層空間剛架,§15結(jié)構(gòu)的分類,4桁架TRUSS所有結(jié)點均為鉸結(jié)點，各桿僅受軸力。,§15結(jié)構(gòu)的分類,5組合結(jié)構(gòu)COMPOSITESTRUCTURE桁架與梁或剛架組合在一起。,部分桁架桿，部分梁式桿的結(jié)構(gòu),梁式桿,§15結(jié)構(gòu)的分類,6懸索結(jié)構(gòu)CABLESUSPENDEDSTRUCTURE,§15結(jié)構(gòu)的分類,3按桿件系統(tǒng)的軸線是否在同一平面內(nèi)分類,4按內(nèi)力是否靜定分類,§15結(jié)構(gòu)的分類,8梁與拱的區(qū)別是什么,9剛架與桁架的區(qū)別是什么,10靜定結(jié)構(gòu)與超靜定結(jié)構(gòu)的區(qū)別是什么,7將下圖簡化成計算簡圖。,本章思考題,,,,本章思考題,1桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)與實體結(jié)構(gòu)的主要差別是什么,5什么是結(jié)構(gòu)的計算簡圖,6如何選擇結(jié)構(gòu)的計算簡圖,3兒童在地面上跳動與在跳跳板上跳動的荷載性質(zhì)相同嗎,4移動荷載與動力荷載的主要區(qū)別是什么,2動力荷載與靜力荷載的主要是什么區(qū)別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簡介：本次課的課程提綱,一、巖石的組構(gòu)特征二、巖石中的結(jié)構(gòu)面（軟弱面）三、巖石的四個性質(zhì)四、巖石的物理五、巖石的水理性能,1巖石的物質(zhì)組成,粘土礦物,硅酸鹽類礦物,碳酸鹽類礦物,氧化物類礦物,組成巖石的礦物,,組成巖石的礦物成分及其相對含量在一定程度上決定著巖石的力學性質(zhì),二、巖石的組構(gòu)特征,物質(zhì)組成對力學性質(zhì)的影響,一般硅酸鹽礦物有石英、長石、角閃石、輝石、橄欖石（粒狀）及云母和粘土礦物（片狀）等含硬度大的粒狀礦物愈多，巖石強度高－花崗巖、閃長巖、玄武巖含硬度小的片狀礦物愈多，巖石強度愈低－粘土巖、泥巖,碳酸鹽類礦物主要包括石灰?guī)r和白云巖類，巖石的物理力學性質(zhì)取決于巖石中的CACO3及酸不溶物的含量CACO3含量愈高，如純灰?guī)r、白云巖強度高泥質(zhì)含量高的，如泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等力學性質(zhì)差,物質(zhì)組成對力學性質(zhì)的影響,碎屑巖的力學性質(zhì)與膠結(jié)物成分的關(guān)系強度上硅質(zhì)鐵質(zhì)鈣質(zhì)泥質(zhì),物質(zhì)組成對力學性質(zhì)的影響,泥頁巖的粘土礦物組成,蒙脫石伊利石綠泥石高嶺石伊蒙混層,粘土礦物,蒙脫石含量高→軟，易變形，易水化伊利石含量高→硬脆，不易變形，不易水化,2巖石的結(jié)構(gòu),巖石的結(jié)構(gòu)巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀、排列方式及微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況與粒間連結(jié)方式等反映在巖塊構(gòu)成上的特征。其中，粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)與膠結(jié)連結(jié),二、巖石的組構(gòu)特征,顆粒形狀強度粒狀、柱狀片狀鱗狀,顆粒大小強度粗粒不等粒,2巖石的結(jié)構(gòu),微結(jié)構(gòu)面指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒間的軟弱面或缺陷，包括礦物解理、晶格缺陷、粒間空隙、微裂隙、微層理及片理面、片麻理面等,①降低巖石強度②導致巖石力學性質(zhì)各向異性,二、巖石的組構(gòu)特征,2巖石的結(jié)構(gòu),結(jié)晶連結(jié)礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起，它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸－巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖中的碳酸巖,膠結(jié)連結(jié)礦物顆粒通過膠結(jié)物連結(jié)在一起－碎屑巖,二、巖石的組構(gòu)特征,二、巖石的組構(gòu)特征,基底型彼此不發(fā)生接觸的礦物顆粒埋在玻璃體重，這種情況下膠結(jié)程度很高，巖石強度與膠結(jié)物有關(guān)接觸型僅僅在顆粒的接觸點存在膠結(jié)物，這種膠結(jié)程度低，巖石強度也不大間隙型礦物顆粒彼此直接接觸，而顆粒的孔隙被膠結(jié)物充填溶蝕型膠結(jié)物不僅充填在礦物顆粒之間，而且進入到礦物顆粒本身中，膠結(jié)強度很高。,巖石的主要膠結(jié)類型,A）基底型B）間隙型C）接觸型D）溶蝕型,3巖石的構(gòu)造,巖石的構(gòu)造巖石的構(gòu)造是指巖石組成成分在空間上相互排列及所占的位置。巖漿巖的構(gòu)造塊狀構(gòu)造、流紋狀構(gòu)造、氣孔狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造沉積巖的構(gòu)造層理構(gòu)造變質(zhì)巖的構(gòu)造片理構(gòu)造,二、巖石的組構(gòu)特征,三、巖石中的結(jié)構(gòu)面（軟弱面）,結(jié)構(gòu)面就是巖石內(nèi)具有一定方向性、延展性較大、厚度較小的兩維面狀地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的異面和不連續(xù)面（如層理、斷裂面等）結(jié)構(gòu)面的成因類型結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與分級結(jié)構(gòu)面特征及其對巖石性質(zhì)的影響,一）結(jié)構(gòu)面的成因類型,地質(zhì)成因類型原生結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面次生結(jié)構(gòu)面力學成因類型張性結(jié)構(gòu)面剪性結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)成因類型,原生結(jié)構(gòu)面在巖石形成過程中形成的軟弱面巖漿巖的流動構(gòu)造面、冷縮形成的原生裂隙面、侵入體與圍巖的接觸面；沉積巖體內(nèi)的層理面、不整合面；變質(zhì)巖體內(nèi)的片理面，以及片麻構(gòu)造面等。在原生結(jié)構(gòu)面中，除了原生裂隙，以及由于受構(gòu)造運動和風化作用的影響，已經(jīng)脫開的軟弱面外，多具有一定的連結(jié)力和較高的強度。,結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)成因類型,構(gòu)造結(jié)構(gòu)面巖石形成后的構(gòu)造運動過程中產(chǎn)生的各種破裂面斷裂面、層間錯動面構(gòu)造作用形成的軟弱夾層，以及構(gòu)造裂隙面等這類軟弱面除了已經(jīng)膠合者以外，絕大部分都是脫開的規(guī)模較大的，多充填有厚度不等、類型和連續(xù)程度不同的充填物，其中大部分已泥化，或者已變成了軟弱夾層就一般情況而言，除了部分構(gòu)造裂隙以外，大部分構(gòu)造軟弱面的特性都很壞，強度多接近于巖體的剩余強度，往往導致復雜。,結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)成因類型,次生結(jié)構(gòu)面巖體在外力作用下產(chǎn)生的軟弱面如風化裂隙面、卸荷裂隙面等。風化裂隙面發(fā)育深度不大，方向紊亂，連續(xù)性很低。但可降低巖體的強度和變形模量。卸荷裂隙是由于卸荷作用引起巖體在垂直于卸荷自由面方向發(fā)生伸長而形成。卸荷裂隙面基本上平行于巖體卸荷自由面。一般來說，次生結(jié)構(gòu)面主要影響地面附近巖體的穩(wěn)定性。,結(jié)構(gòu)面的力學成因類型,這里所說的結(jié)構(gòu)面是指巖體中的破裂面而言所謂軟弱面的力學成因類型，是指按照形成破裂面的破壞應力的不同，所劃分的破裂面的類型。根據(jù)野外觀察到的事實、大量巖體力學試驗的結(jié)果以及莫爾庫倫破壞理論的分析，認為巖體的破壞只有剪切破壞和拉斷破壞兩種類型。破裂面的力學成因，應劃分為剪性和張性兩大類別。,結(jié)構(gòu)面的力學成因類型,張性破裂面是由張力形成的，在破壞過程中，破壞面兩側(cè)巖體僅沿破裂面法向發(fā)生分離位移。張性破裂面，一般張開度大，連續(xù)性差，形態(tài)多不規(guī)則，多呈折線或鋸鑿狀。斷面凹凸不平，粗糙度大，破碎帶寬度變化大，且易被巖脈、礦脈充填，有時并有巖漿沿之入侵。張性破裂面常常具有含水豐富，導水性強以及剪切強度高等特征,結(jié)構(gòu)面的力學成因類型,剪性破裂面是由剪應力而形成的，破裂面兩側(cè)巖體沿破裂面切線方向發(fā)生有不同程度的滑錯位移。具有擦痕、共軛性、規(guī)律的位移方向以及斷面比較光滑，是剪性破裂面共有的特征，也是鑒定剪性破裂面的主要依據(jù)。,正斷層上盤相對下盤向下滑動的斷層,,上盤下降,下盤上升,三）結(jié)構(gòu)面特征及其對巖體性質(zhì)的影響,產(chǎn)狀連續(xù)性密度張開度形態(tài)充填膠結(jié)情況組合關(guān)系,軟弱面的影響,巖石軟弱面對巖體物理力學特性如巖體強度、變形性、滲透性，力學上的連續(xù)性及巖體應力分布等都有顯著影響。因此，在很多情況下，軟弱面是巖體力學問題的一個主要控制因素。從本質(zhì)上說，軟弱面使巖體變得更加軟弱，更易于變形而且表現(xiàn)為高度的各向異性。,三、巖石的不連續(xù)性、非均勻性、各向異性和滲透性,巖石的不連續(xù)性,巖石中普遍存在的結(jié)構(gòu)面，無論是物質(zhì)分異面還是物質(zhì)不連續(xù)面，都會使結(jié)構(gòu)面兩側(cè)附近的巖石物理力學性質(zhì)呈現(xiàn)不連續(xù)變化。對于裂隙性巖石，通常采用裂縫率作為定量評價巖石被裂隙切割后破碎程度的指標。,巖石的不連續(xù)性,A、單向裂隙或裂隙頻率單向裂隙指一組結(jié)構(gòu)面的法線方向上每單位長度M內(nèi)，法線與結(jié)構(gòu)面的交割數(shù)目，以KD1/M表示。即單向裂隙率的倒數(shù)為成組結(jié)構(gòu)面之間的平均間距，以D表示,式中KD單向裂隙（1/M）D結(jié)構(gòu)面間平均間距M,巖石的不連續(xù)性,式中LI第I條裂隙面長度M；TI第I條裂隙面的寬度M；A被測量的巖石總面積（M）,B、平面裂隙率平面裂隙率KA是指巖石單位面積上諸裂隙所占有的面積總和，亦即,巖石的不均勻性,不均勻性是指天然巖體的物理、力學性質(zhì)隨空間位置不同而異的特性。分析現(xiàn)場巖體試驗資料時可采用綜合性的統(tǒng)計特征偏差系數(shù)V來估算巖體的不均勻性，即,式中各觀測值XI的算術(shù)平均值。Σ標準差估計值。,式中N試驗觀測點次數(shù)。,,巖石的各向異性,巖石各向異性是指天然巖體的物理力學性質(zhì)隨空間方位不同而異的特性，具體表現(xiàn)在它的強度及變形特性等各方面。在天然巖體條件下，使巖體具有各向異性的基本原因是由于巖石內(nèi)普遍存在著層理、片理、夾層和定向裂隙（斷層）系統(tǒng)所致。目前在實際工程中對于成層巖體往往考慮其平行于層理和垂直于層理方向的差異性。然而對于不具有層理的巖體，則把它視為各自同性體。,巖石的滲透性,有壓水可以透過巖石的孔隙、裂隙而流動，巖石能透過水的能力稱為巖石的滲透性。不同巖石或裂隙性不同的巖石的滲透性不同，滲透性的大小用滲透系數(shù)K表示。巖石的滲透系數(shù)不僅與水的物理性質(zhì)有關(guān)，也與巖石的應力狀態(tài)有關(guān)。,,,,,巖石軸向滲透性試驗原理,巖石滲透儀軸向滲透1注水管路；2圍壓室；3巖樣；4放水閥,巖石軸向滲透性試驗原理,假定巖體滲流符合達西定律，則滲透系數(shù)可計算如下式中K－巖石滲透系數(shù)M/S；Q－單位時間里透過試樣的水量M3；L－試樣長度M；A－試樣截面積M2；P－試樣兩端的水壓力差KPA；ΓW－水的容重KN/M3）,巖石徑向滲透性試驗原理,徑向滲透試驗時，其滲透系數(shù)計算式中P－試樣外壁上的水壓力KPA；L－試驗段小孔長度M；R1－試件內(nèi)半徑M；R2－試件外半徑M；Π－圓周率。,四、巖石的物理性質(zhì),巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體三相組成的。物理性質(zhì)是指巖石由于三相組成的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。1、巖石的密度2、巖石的孔隙性,（一）、巖石的密度,1、顆粒密度ΡS巖石固體部分的質(zhì)量與其體積的比值。它不包含孔隙在內(nèi)，因此其大小僅取決于組成巖石的礦物密度及其含量ΡSMS/VSΡS為巖石的顆粒密度MS為巖石固體部分的質(zhì)量VS為巖石固體部分的體積,（一）、巖石的密度,2、塊體密度（或巖石密度）是指巖石單位體積內(nèi)的質(zhì)量，按巖石的含水狀態(tài)，又有干密度（ΡD）、飽和密度（ΡSAT）和天然密度（Ρ）之分，在未指明含水狀態(tài)時一般指巖石的天然密度。ΡDMS/VΡSATMSAT/VΡM/V,常見巖石的密度,巖石的物理性質(zhì),孔隙度巖石中孔隙體積與巖石總體積之比多用百分數(shù)表示。裂隙率巖石中各種節(jié)理、裂隙的體積與巖石總體積之比稱裂隙率。孔隙度與裂隙率含義相同，孔隙度多用于松散土、石，裂隙率多用于結(jié)晶連接的堅硬巖石。一般巖石的孔隙度在01035之間,巖石的物理性質(zhì),孔隙比巖石中孔隙的體積與固體顆粒體積之比稱巖石的孔隙比多以小數(shù)表示孔隙比和孔隙度可以互相換算式中E－孔隙比N－孔隙度密度是試驗指標，只有通過試驗才能得到具體數(shù)值,而孔隙度和孔隙比是計算指標。,,,五、巖石的水理性質(zhì),巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)。主要有1吸水性2軟化性3抗凍性4透水性,（一）、巖石的吸水性,巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。1吸水率WA巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量MW1與巖樣干質(zhì)量MS之比，用百分數(shù)表示,巖石的飽和吸水率WP是指巖石試件在高壓一般壓力為15MPA或真空條件下吸入水的質(zhì)量MW2與巖樣干質(zhì)量MS之比，用百分數(shù)表示，即,3飽水系數(shù)巖石的吸水率WA與飽和吸水率WP之比，稱為飽水系數(shù)。它反映了巖石中大、小開空隙的相對比例關(guān)系。,（2）飽和吸水率,（二）、巖石的軟化性,巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)，稱為軟化性軟化系數(shù)KR為巖石試件的飽和抗壓強度ΣCW與干抗壓強度ΣC的比值,巖石中含有較多的親水性和可溶性礦物，大開空隙較多，巖石的軟化性較強，軟化系數(shù)較小。KR＞075，巖石的軟化性弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好KR＜075，巖石軟化性較強，工程地質(zhì)性質(zhì)較差,（三）、巖石的抗凍性,巖石抵抗凍融破壞的能力，稱為抗凍性?？箖鱿禂?shù)RD巖石試件經(jīng)反復凍融后的干抗壓強度ΣC2與凍融前干抗壓強度ΣC1之比，用百分數(shù)表示,（三）、巖石的抗凍性,質(zhì)量損失率KM凍融試驗前后干質(zhì)量之差MS1－MS2與試驗前干質(zhì)量MS1之比，以百分數(shù)表示,RD＞75％，KM＜2％，抗凍性高吸水率WA＜5％、軟化系數(shù)KR＞075，飽水系數(shù)小于08的巖石，抗凍性高。,巖石的水理性質(zhì),可溶性是指巖石被水溶解的性能。它與巖石的礦物成分、水中CO2含量及水的溫度等因素有關(guān)。膨脹性巖石吸水后體積增大引起巖石結(jié)構(gòu)破壞的性能稱膨脹性。一般含有粘土礦物的巖石具有定的膨脹性，特別是含有蒙脫石類礦物的巖石膨脹性最大。南昆鐵路建設中，膨脹巖地段路塹邊坡坍滑造成嚴重的危害。,巖石的水理性質(zhì),崩解性巖石被水浸泡，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到完全破壞呈碎塊狀崩開散落的性能。具有強烈崩解的巖石和土，短時間內(nèi)即發(fā)生崩解。我國西北地區(qū)的黃土，在水中浸泡一天左右即崩解，西南某地風化鈣泥質(zhì)粉砂巖置于水中僅十多分鐘就全部崩解了。,

簡介：大學物理學電子教案,武警學院教學課件,循環(huán)過程與卡諾循環(huán),6－5理想氣體的等溫過程和絕熱過程等溫過程絕熱過程絕熱線和等溫線6－6循環(huán)過程卡諾循環(huán)循環(huán)過程卡諾循環(huán),,復習,熱學的研究對象及其分類氣體物態(tài)參量平衡態(tài)與準靜態(tài)過程理想氣體的物態(tài)方程,功,熱量,內(nèi)能,熱力學第一定律,熱力學第一定律在理想氣體的等體和等壓過程的應用,摩爾熱容,6－5理想氣體的等溫過程和絕熱過程,一、等溫過程,特點理想氣體的溫度保持不變，TCONST過程曲線在PV圖上是一條雙曲線，叫等溫線。過程方程,內(nèi)能、功和熱量的變化,,系統(tǒng)從外界吸收的熱量，全部用來對外作功。,二、絕熱過程,1、絕熱過程,特點系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的過程，Q0。,內(nèi)能和功的變化,特征在絕熱過程中，系統(tǒng)對外界所作的功是由于系統(tǒng)內(nèi)能的減少來完成的。,2、絕熱方程,推導對絕熱過程，由熱力學第一定律,對于理想氣體,,考慮,將上式與理想氣體的狀態(tài)方程結(jié)合即可得另外兩式。,,絕熱過程計算功的方法將絕熱方程代入得,三、絕熱線和等溫線,絕熱線,等溫線,斜率,斜率,因為?CP,M/CV,M?1，所以絕熱線比等溫線更陡,四、多方過程,實際上，氣體所進行的過程，常常既不是等溫又不是絕熱的，而是介于兩者之間，可表示為PVN常量（N為多方指數(shù)）凡滿足上式的過程稱為多方過程。N1等溫過程N?絕熱過程N0等壓過程N?等容過程一般情況1?N??，多方過程可近似代表氣體內(nèi)進行的實際過程。,多方過程的功,吸收熱量,多方過程內(nèi)能的變化,在熱機中被用來吸收熱量并對外作功的物質(zhì)叫工作物質(zhì)，簡稱工質(zhì)。工質(zhì)往往經(jīng)歷著循環(huán)過程，即經(jīng)歷一系列變化又回到初始狀態(tài)。,2、特點若循環(huán)的每一階段都是準靜態(tài)過程，則此循環(huán)可用PV圖上的一條閉合曲線表示。工質(zhì)在整個循環(huán)過程中對外作的凈功等于曲線所包圍的面積。系統(tǒng)經(jīng)過一個循環(huán)以后，系統(tǒng)的內(nèi)能沒有變化,6－6循環(huán)過程卡諾循環(huán),一、循環(huán)過程,1、定義系統(tǒng)經(jīng)過一系列狀態(tài)變化以后，又回到原來狀態(tài)的過程叫作熱力學系統(tǒng)的循環(huán)過程，簡稱循環(huán)。,沿順時針方向進行的循環(huán)稱為正循環(huán)。沿逆時針方向進行的循環(huán)稱為逆循環(huán)。,二、熱機和制冷機,1、循環(huán)過程的分類,2、熱機,工作物質(zhì)作正循環(huán)的機器，稱為熱機，它是把熱量持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為功的機器。,正循環(huán)的特征一定質(zhì)量的工質(zhì)在一次循環(huán)過程中要從高溫熱源吸熱Q1，對外作凈功W，又向低溫熱源放出熱量Q2。并且工質(zhì)回到初態(tài)，內(nèi)能不變。工質(zhì)經(jīng)一循環(huán)WQ1Q2,熱機效率或循環(huán)效率表示熱機的效能,逆循環(huán)的特征制冷機經(jīng)歷一個逆循環(huán)后，由于外界對它作功，可以把熱量由低溫熱源傳遞到高溫熱源。在一個循環(huán)中，外界作功W，從低溫熱源吸收熱量Q2，向高溫熱源放出熱量Q1。并且工質(zhì)回到初態(tài)，內(nèi)能不變。,制冷系數(shù)表示制冷機的效能,3、制冷機,工作物質(zhì)作逆循環(huán)的機器，稱為制冷機，它是把熱量從低溫熱源抽到高溫熱源的機器。,三、卡諾循環(huán),法國工程師、熱力學的創(chuàng)始人之一。他創(chuàng)造性地用“理想實驗”的思維方法，提出了最簡單、但有重要理論意義的熱機循環(huán)卡諾循環(huán)，創(chuàng)造了一部理想的熱機卡諾熱機。1824年卡諾提出了對熱機設計具有普遍指導意義的卡諾定理，指出了提高熱機效率的有效途徑，揭示了熱力學的不可逆性，被后人認為是熱力學第二定律的先驅(qū)。,,概念卡諾循環(huán)過程由四個準靜態(tài)過程組成，其中兩個是等溫過程和兩個是絕熱過程組成?？ㄖZ循環(huán)是一種理想化的模型。,分類正循環(huán)卡諾熱機逆循環(huán)卡諾制冷機,1、卡諾循環(huán),A?B等溫膨脹過程，體積由V1膨脹到V2，內(nèi)能沒有變化，系統(tǒng)從高溫熱源T1吸收的熱量全部用來對外作功,B?C絕熱膨脹，體積由V2變到V3，系統(tǒng)不吸收熱量，對外所作的功等于系統(tǒng)減少的內(nèi)能,2、卡諾熱機正循環(huán),卡諾熱機的四個過程,C?D等溫壓縮過程體積由V3壓縮到V4，內(nèi)能變化為零，系統(tǒng)對外界所作的功等于向低溫熱源T2放出的熱量,D?A絕熱壓縮絕熱壓縮過程體積由V4變到V1，系統(tǒng)不吸收熱量，外界對系統(tǒng)所作的功等于系統(tǒng)增加的內(nèi)能。,在一次循環(huán)中，系統(tǒng)對外界所作的凈功為|W|Q1Q2,理想氣體卡諾循環(huán)的效率只與兩熱源的溫度有關(guān),卡諾熱機效率,應用絕熱方程,BC過程,DA過程,兩式比較,卡諾熱機的效率只由高溫熱源和低溫熱源的溫度決定，高溫熱源溫度越高，低溫熱源溫度越低，則循環(huán)效率越高；,說明,高溫熱源的溫度不可能無限制地提高，低溫熱源的溫度也不可能達到絕對零度，因而熱機的效率總是小于1的，即不可能把從高溫熱源所吸收的熱量全部用來對外界作功。,工質(zhì)把從低溫熱源吸收的熱量和外界對它所作的功以熱量的形式傳給高溫熱源，其結(jié)果可使低溫熱源的溫度更低，達到制冷的目的。吸熱越多，外界作功越少，表明制冷機效能越好。用制冷系數(shù)E表示之。,3、卡諾制冷機逆循環(huán),制冷機的工作原理,制冷系數(shù),,小結(jié),理想氣體的等溫過程和絕熱過程多方過程循環(huán)過程熱機和制冷機卡諾循環(huán),,作業(yè)思考題P2189，10，12，13習題P22117，19，21，23預習67，68,

簡介：第5次課混凝土概論第6次課混凝土斷裂特征第7次課混凝土斷裂模型第8次課混凝土斷裂研究進展,混凝土斷裂力學PARTII混凝土與斷裂研究,主講曾強TEL15967121023EMAILCENGQ14ZJUEDUCNWEBMYPAGEZJUEDUCN/CEMPORMAT,TIPSANDINFORMATION,BOOKS混凝土斷裂力學，徐世烺，2011FRACTUREMECHANICSOFCONCRETEAPPLICATIONSOFFRACTUREMECHANICSTOCONCRETE,ROCKANDOTHERQUASIBRITTLEMATERIALSUSEFULWEBSITEHTTPS//CEEMITEDU/ULMHTTP//WWWCIVILNORTHWESTERNEDU/PEOPLE/BAZANT/HTTP//WWWMCCORMICKNORTHWESTERNEDU/RESEARCHFACULTY/DIRECTORY/PROFILES/SHAHSURENDRAHTMLHTTP//WWWCEBERKELEYEDU/PAULMONT/241HTTP//ITINORTHWESTERNEDU/CEMENT/MONOGRAPH/MONOGRAPH1_1HTML,,,

簡介：熱力學研究在化學中的應用,一熱力學在闡明化學問題中的重要性,隨著教材的更新，越來越感到需要運用能量變化的規(guī)律來闡明一些化學現(xiàn)象，用熱力學的知識來加深化學知識的理解。運用熱力學的知識，除能更好地闡明化學的四大平衡及其聯(lián)系外，還可以有助于從理論上來定量地討論化學反應，尋求影響反應進行的因素和指導進行無機合成。有時，為了闡明物質(zhì)性質(zhì)及其反應的規(guī)律，當應用了熱力學的觀點時往往比單靠微觀結(jié)構(gòu)觀點更能得到滿意的結(jié)果。,例，磷和硅是同一族的兩個元素，但是它們的氧化物的性質(zhì)相差很大SIO2原子晶體，MP1723℃，BP2230℃，不溶于水，溶于HF酸生成SIF4；CO2分子晶體，MP－784℃，BP－562℃，溶于水，不溶于HF。倘若你僅從原子結(jié)構(gòu)的觀點－C、SI的電子結(jié)構(gòu)都是NS2NP2－是很難解釋它們性質(zhì)上的差別的，但是從熱力學角度出發(fā)，通過比較鍵能的大小并結(jié)合結(jié)構(gòu)理論很好地解釋了這個問題。SI－OSI＝OC－OC＝O鍵能／KJMOL－1464640360803若SI與O生成兩條雙鍵，鍵能1280KJMOL－1；但四條單鍵1756KJMOL－1。反過來，C與O生成兩條雙鍵，鍵能1606KJMOL－1；但四條單鍵1460KJMOL－1。,可見，從能量的觀點可以得出結(jié)論硅與氧所形成的化合物是以SI－O單鍵為基礎(chǔ)的，而C的化合物則主要是C＝O雙鍵，所以CO2和SIO2的結(jié)構(gòu)不相同。前者是網(wǎng)狀大分子，含有SIO4四面體結(jié)構(gòu)單元，其中SI以單鍵與4個氧連結(jié)，氧以兩個SI之間的氧橋形式存在，要破壞這種結(jié)構(gòu)需要很高的能量，所以它的溶、沸點都很高，也不溶于水，與HF作用是生成了易揮發(fā)的SIF4。后者是線性孤立分子，分子間以分子間力聯(lián)系，所以它的溶、沸點較低。,而SI是第三周期元素，內(nèi)層電子較多，半徑較大，生成P－P?鍵難度較大，而傾向于以一定雜化態(tài)形成盡可能多的單鍵，因而常以單鍵同其它原子結(jié)合。但是這種單鍵又不同于象C－O中的那種簡單的單鍵，因為SI有3D空軌道，3D空軌道的能級與3P相差不遠，氧上2S22P4的孤對電子可以反饋到SI的3D軌道上生成反饋的P－D?鍵，這樣一來SI與氧之間就形成了一定程度的多重鍵，P－D?鍵的鍵能比P－P?鍵的鍵能要小一些，所以就有了這樣的能量次序C＝OSI＝OSI－OC－O?＋P－P??＋P－P??＋P－D??803KJMOL－1640464360這樣，SI－O單鍵實際上是?＋P－D?的鍵能比C－O單鍵純?大就不難理解了。,二用熱力學觀點闡明無機化學問題的一般方法,例說明氣態(tài)NF3在29815K時分解為元素是熱力學穩(wěn)定的，而液態(tài)NCL3在輕微刺激下也會自發(fā)爆炸分解為N2和CL2。,這里使用了鍵焓的定義。使用鍵能值、估算的結(jié)果二者之差為383KJMOL－1。NCL3的標準生成焓比NF3大了383KJMOL－1，當然NCL3比NF3不穩(wěn)定。,第三步，根據(jù)這個分析得到熱力學結(jié)論NF3有高的穩(wěn)定性，原因是F2的低的鍵焓和氮形成強的共價鍵。或者NCL3比NF3的穩(wěn)定性低，原因是CL2的鍵焓比F2的鍵焓高，及氯與氮形成的共價鍵沒有F與N形成的共價鍵強之故。由此三步，顯然對該問題有了深刻的認識。,這里使用了標準生成焓和晶格焓的定義。,現(xiàn)在同學們也許會問，既然復述的方式有好多種，那么，我們應該怎么來選擇呢這將取決于兩點1復述所依賴的循環(huán)中各物種的熱力學數(shù)據(jù)要準確可靠；2要看是否能用通行的理論去闡明循環(huán)中熱力學量的數(shù)值?；剡^頭來評論一些前面的兩種復述。第一種①共價鍵的鍵能數(shù)據(jù)不是十分準確可靠的，因為它是特定化學鍵在所有環(huán)境中鍵離能的平均值，如在這里可以認為N－H鍵能是指NH2－H、NH－H、N－H三者的平均值。不同種情況，N－H鍵的周圍環(huán)境不同，其值也就不一樣。既然是平均值，就不可能與特定情況的鍵焓值相等，不過一般說來，相差不會太遠。②F2的低的鍵焓和強的N－H共價鍵這確實通常的理論，是完全成立的。因而第一種復述是合理的。再看第二種，NX3被看成是由正負離子結(jié)合的離子晶體，顯然是十分牽強附會的。NX3是共價物質(zhì)，雖然后面的解釋是成立的，但總的說來這種復述就不如第一種合理。,至此可以概況如下，用熱力學方法研究一個化學問題可以分為三步1用熱力學方法敘述問題，一般是比較熱力學數(shù)據(jù)；2再用熱力學方法去復述該問題，找出影響因素；復述應在許多種可能途徑中選用熱力學數(shù)據(jù)最準確可靠和為理論闡述最容易的那一種，一旦完成了這些，熱力學工作就告結(jié)束；3對復述的問題進行理論說明。這樣一來，熱力學就像一些理論化學與實驗提出的問題之間的一座橋梁。若這種理論回答有時僅是定性的或不可信的。這種失敗不能歸咎于熱力學，事實上，這樣的失敗可能有兩個原因一是可能所采用的熱力學數(shù)據(jù)不當，二是化學理論仍面臨嚴重的不足。,

簡介：2004SPRINGQUANTUMMECHANICSII高文芳THEREISACOPYOFWEBSOLUTIONTOTHEEXERCISES答案有的不正確哦,快樂量子力學II,ROTATIONSANDANGULARMOMENTUMROTATIONSANDTHEANGULARMOMENTUMOPERATORREVIEWCOMMUTATIONRELATIONSANDTHESPECTRUMOFTHEANGULARMOMENTUMREPRESENTATIONS,SPINANDTHESU2GROUPORBITALANGULARMOMENTUMANDTHECENTRALPOTENTIALADDINGANGULARMOMENTAANDCLEBBSCHGORDANCOEFFICIENTSTENSORSANDWIGNERECKARTTHEOREMGENERALCONTINUOUSSYMMETRIESGROUPS,GENERATORS,COMMUTATIONRELATIONSANDREPRESENTATIONSPARITYANDDISCRETESYMMETRIES,PERTURBATIONTHEORYANDAPPROXIMATIONMETHODSTIMEINDEPENDENTPERTURBATIONSFINESTRUCTUREBORNOPPENHEIMERTHEORYOFMOLECULESTIMEDEPENDENTPERTURBATIONSANDQUANTUMTRANSITIONSFERMISGOLDENRULE,SPECIALTOPICSHYPERMECHANICSATNANOSCALESBELLINEQUALITYANDEPRPARADOXQUANTUMCOMPUTING,評分方式作業(yè)與小考40、期中考30、期末考30或者期中考50、期末考50擇優(yōu)給分。,上課講義刻正打字中SECTION35,關(guān)於颱風來襲是否上課如果碰到颱風或其他天然災害,常碰到政府取捨不定,無法決定是否上課或上班我的決策生命比上課重要,未免同學舉棋不定,而且歷來以下兩種狀況發(fā)生時,經(jīng)常有同學缺課,因此我的做法是1只要有任一縣市停止上班或上課,我們就停課一次2只要政府在當晚1159前仍然無法決定明天是否上班或上課,我們隔天就停課一次,上課時間週一HY500600、三HY430600於CS247教室,助教演習時間週4上午,陸紀亙,,,,如果宇宙一年相當於於地球一百五十億年，那麼。。。,150億年151010年宇宙年曆年月天小時分秒,地球年150億年12億年41千萬年17百萬年29萬年476年,

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