熱學(xué)（）是研究物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本的方式。物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的其他方式還有熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、原子及其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和物理運(yùn)動(dòng)等。
“力學(xué)”一詞的英文是(始于西班牙語(yǔ)μηχανη──機(jī)械)。在英文中，是一個(gè)多義詞，既可釋作“力學(xué)”，也可釋作“機(jī)械學(xué)”、“結(jié)構(gòu)”等。在亞洲其他語(yǔ)種中，此詞的語(yǔ)源和語(yǔ)義都與英文相同。漢語(yǔ)中沒(méi)有同它對(duì)等的多義詞。在19世紀(jì)50年代作為研究力的作用的學(xué)科名詞傳入中國(guó)時(shí)，譯作“重學(xué)”，后來(lái)改譯作“力學(xué)”，仍然使用至今。“力學(xué)的”和“機(jī)械的”在法語(yǔ)中同，而現(xiàn)代漢語(yǔ)中“機(jī)械的”又可理解為“刻板的”。這些不同語(yǔ)種中實(shí)詞寬容范圍的差別，有時(shí)導(dǎo)致國(guó)際學(xué)術(shù)交流中的周折。諸如機(jī)械的()自然觀，雖然指用熱學(xué)解釋自然的觀點(diǎn)。所以，熱學(xué)可以說(shuō)是力和(機(jī)械)運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。
熱學(xué)研究能量和力以及它們與固體、液體及二氧化碳的平衡、變形或運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。熱學(xué)可分辨為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三部份，靜力學(xué)研究力的平衡或物體的靜止問(wèn)題；運(yùn)動(dòng)學(xué)只考慮物體如何運(yùn)動(dòng)，不討論它與所受力的關(guān)系；動(dòng)力學(xué)討論物體運(yùn)動(dòng)和所受力的關(guān)系。現(xiàn)代的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，例如小型的風(fēng)洞、水洞，它們的構(gòu)建和使用本身就是一個(gè)綜合性的科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目牛頓第一定律是什么呢，須要多工種、多學(xué)科的協(xié)作。
熱學(xué)主要在于剖析力對(duì)物體的作用，斥力既有大小又有方向，所以力是一個(gè)矢量。
牛頓運(yùn)動(dòng)定理包括牛頓第一運(yùn)動(dòng)定理、牛頓第二運(yùn)動(dòng)定理和牛頓第三運(yùn)動(dòng)定理三條定理，由艾薩克·牛頓在1687年于《自然哲學(xué)的物理原理》一書(shū)中總結(jié)提出。其中，第一定理說(shuō)明了力的含意：力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的誘因；第二定理強(qiáng)調(diào)了力的作用療效：力使物體獲得加速度；第三定理闡明出力的本質(zhì)：力是物體間的互相作用。
牛頓運(yùn)動(dòng)定理中的各定理相互獨(dú)立，且內(nèi)在邏輯符合自洽一致性。其適用范圍是精典熱學(xué)范圍，適用條件是質(zhì)點(diǎn)、慣性參考系以及弱引力場(chǎng)、宏觀、低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。
17世紀(jì)末牛頓承繼和發(fā)展前人的研究成果(非常是開(kāi)普勒的行星運(yùn)動(dòng)三定理)，提出熱學(xué)運(yùn)動(dòng)的三條基本定理，使精典熱學(xué)產(chǎn)生系統(tǒng)的理論。按照牛頓三定理和萬(wàn)有引力定理成功地解釋了月球上的落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和行星的運(yùn)動(dòng)軌道。
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定理
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定理，簡(jiǎn)稱(chēng)牛頓第一定理。又稱(chēng)慣性定理、惰性定理。常見(jiàn)的完整敘述：任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直至外力促使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。
改變物體的運(yùn)動(dòng)速率須要外力的作用，除了這般，該物體就會(huì)對(duì)這些改變形成抨擊。物體的這些譴責(zé)叫作慣性。對(duì)于一個(gè)滾動(dòng)的球，你不須要使多大力氣便能讓其改變方向。但若果你用同樣大的力氣去推一輛行駛中的小車(chē)輛，小車(chē)輛方向的改變微乎其微，你甚至看不出小車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)發(fā)生了改變。緣由是小車(chē)輛的慣性比球大得多。物體的慣性似乎與它所包含物質(zhì)的多少有關(guān)。
人的性格常常也有惰性或慣性，總喜歡保持原有的生活節(jié)奏或習(xí)慣，須要內(nèi)在的動(dòng)力和外在的壓力才以促使其作出改變，且常常有排斥的情緒。
牛頓第二運(yùn)動(dòng)定理
牛頓沒(méi)有逗留在慣性定理定性描述的觀點(diǎn)上，而是將其量化，提出了第二運(yùn)動(dòng)定理。
牛頓第二運(yùn)動(dòng)定理的常見(jiàn)敘述是：物體加速度的大小跟斥力成反比，跟物體的質(zhì)量成正比，且與物體質(zhì)量的倒數(shù)成反比；加速度的方向跟斥力的方向相同。
F＝ma
F：力，m：質(zhì)量，a：加速度
從里面的多項(xiàng)式可以看出，物體的質(zhì)量越大，其運(yùn)動(dòng)速率就越不容易改變，因而質(zhì)量是一個(gè)表現(xiàn)物體慣性大小的量，稱(chēng)為慣性質(zhì)量。這也就解釋了當(dāng)質(zhì)量大的鐵塊掉落時(shí)，盡管遭到的重力比質(zhì)量小的球要大，但妨礙往下掉落的慣性質(zhì)量也要大，所以質(zhì)量大小不一的鐵塊掉落時(shí)速率是一樣的（慣性質(zhì)量與重力質(zhì)量相等）。
慣性定理是第二定理的一種特殊情況。假如斥力為0，這么加速度肯定也是0，速率恒定。
當(dāng)你往空中扔一個(gè)球時(shí)，球會(huì)加速一段距離，之后呈拋物線落下。球遭到了三個(gè)力的作用，你給的推力、重力、空氣磨擦力。之后，想像你用一個(gè)更快的初速率拋出這個(gè)球。球其實(shí)會(huì)在飛行了更遠(yuǎn)的距離后才落地。這么，我們想像用一個(gè)極快的速率拋出這個(gè)球，以至于球不會(huì)落向地面。球的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)朝著地表彎曲，但地表原本就是彎曲的，所以一個(gè)運(yùn)動(dòng)速率足夠快的球能與地表仍然保持著一個(gè)固定的距離，雖然球仍然在落向地面。此類(lèi)情況就近似于地球的運(yùn)動(dòng)。不僅地球是順著橢圓形軌道，而不是方形軌道繞月球運(yùn)動(dòng)。地球也在不斷地落向月球，但地球水平方向的運(yùn)動(dòng)速率十分快，以至于它還能在月球表面之上繞著它自己的軌道運(yùn)動(dòng)。
上述想像的極快速度就是宇宙速率，達(dá)到宇宙速率的灰熊就可以掙開(kāi)月球的引力駛向太空。
任何物體想要離開(kāi)所在的天體系統(tǒng)，必須在速率上要才能達(dá)到脫離其引力的程度，我們把這個(gè)速率稱(chēng)為宇宙速率。第一宇宙速率又稱(chēng)環(huán)繞速率，是指物體貼近月球表面作圓周運(yùn)動(dòng)的速率，也就是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速率，其大小為7.9千米每秒。第二宇宙速率又稱(chēng)脫離速率，是指指物體完全甩掉月球引力禁錮,飛離月球而環(huán)繞太陽(yáng)圓周運(yùn)動(dòng)的所須要的最小初始速率，其大小為11.2千米每秒。第三宇宙速率又稱(chēng)逃逸速率，是指在月球上發(fā)射的物體甩掉太陽(yáng)引力禁錮，飛出太陽(yáng)系所需的最小初始速率，其大小為16.7千米每秒。第四宇宙速率是指在月球上發(fā)射的物體甩掉銀河系引力禁錮，飛出銀河系所需的最小初始速率，其速率預(yù)計(jì)為110至120千米每秒。第五宇宙速率是指航天器從月球發(fā)射，飛出本星體群的最小速率，因?yàn)楸拘求w群的直徑、質(zhì)量均未有足夠精確的數(shù)據(jù)，所以難以確切得悉數(shù)據(jù)大小。目前科學(xué)家恐怕本星體群大約有500至1000萬(wàn)光年，照此推測(cè)大約須要1500至2250千米每秒的速率才會(huì)飛離。
假如月球的質(zhì)量更大，這么月球的引力便會(huì)更強(qiáng)，宇宙速率都會(huì)越高。如今，我們想象有一個(gè)這樣的天體，其質(zhì)量是這么之大，以至于其宇宙速率超過(guò)了光速（約合每秒30萬(wàn)公里）。于是，任何物體，甚至包括光在內(nèi)，都未能從這個(gè)天體上逃脫。這樣的天體就是黑洞。
牛頓第三運(yùn)動(dòng)定理
牛頓第三運(yùn)動(dòng)定理的常見(jiàn)敘述是：互相作用的兩個(gè)物體之間的斥力和反斥力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。
牛頓運(yùn)動(dòng)定理在研究對(duì)象上呈遞進(jìn)關(guān)系。第一、第二定理只研究單一物體（可以只有一個(gè)物體，也可以從諸多物體中隔離出一個(gè)物體來(lái)作為研究對(duì)象），解決其不受力或受好多力作用后的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；第三定理擴(kuò)充了研究對(duì)象，起碼研究是兩個(gè)物體之間的互相作用牛頓第一定律是什么呢，這些互相作用阻礙或影響了研究對(duì)象或研究對(duì)象以外的其它物體的運(yùn)動(dòng)。只有把第一、第二和第三定理有機(jī)結(jié)合就能解決全部的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，由質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)出發(fā)去解決質(zhì)點(diǎn)系、剛體、流體、振動(dòng)、波動(dòng)等的熱學(xué)問(wèn)題。
牛頓運(yùn)動(dòng)定理基于牛頓熱學(xué)的基本假定
①空間是絕對(duì)的，可以覺(jué)得是物理上的具象空間，和空間內(nèi)的填充物質(zhì)無(wú)關(guān)；
（相對(duì)論覺(jué)得空間是相對(duì)的，在接近光速的空間中，空間收縮。物質(zhì)告訴時(shí)空怎樣彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)怎么運(yùn)動(dòng)）
②時(shí)間是連續(xù)的、均勻流逝的、無(wú)窮無(wú)盡的；
（相對(duì)論覺(jué)得時(shí)間是相對(duì)的，在接近光速的空間中，時(shí)間膨脹。）
③時(shí)間和空間無(wú)關(guān)；
（相對(duì)論覺(jué)得時(shí)空一體，不同的空間有不同的時(shí)間。）
④時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)；
（相對(duì)論覺(jué)得時(shí)間與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。）
⑤物體的質(zhì)量和物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。
（相對(duì)論覺(jué)得在接近光速的空間中，質(zhì)量會(huì)接近無(wú)限大。）
牛頓熱學(xué)體系實(shí)質(zhì)上是在建在四個(gè)獨(dú)立“概念”的基礎(chǔ)之上的一座大樓。這四個(gè)基礎(chǔ)概念分別是：絕對(duì)化的“質(zhì)量”、絕對(duì)化的“空間”、絕對(duì)化的“時(shí)間”和“力“（或“場(chǎng)”）。這兒的“絕對(duì)化”其實(shí)是指不受物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響的意思。
牛頓運(yùn)動(dòng)定理在日常條件下對(duì)宏觀對(duì)象有挺好的近似性。但是，牛頓定理（結(jié)合萬(wàn)有引力和精典電動(dòng)熱學(xué)）在個(gè)別情況下是不合適的，最明顯的是在特別小的尺度，特別高的速率或特別強(qiáng)的引力場(chǎng)。為此，這種定理不能拿來(lái)解釋例如半導(dǎo)體中的電傳導(dǎo)、物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)、非相對(duì)論校準(zhǔn)GPS系統(tǒng)中的偏差和超導(dǎo)電性等現(xiàn)象。對(duì)這種現(xiàn)象的解釋須要更復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論，包括廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)理論。
牛頓運(yùn)動(dòng)定理只適用于質(zhì)點(diǎn)，牛頓運(yùn)動(dòng)定理中所指的物體為質(zhì)點(diǎn)。即物體的大小和形狀被忽視，因而更容易關(guān)注其運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物體與其剖析所涉及的距離相比較小時(shí)，或則當(dāng)物體的變型和旋轉(zhuǎn)不重要時(shí)，可以這樣做。這樣，雖然是行星也可以被理想化為一個(gè)粒子，拿來(lái)剖析星體繞星體的軌道運(yùn)動(dòng)。
牛頓運(yùn)動(dòng)定理只適用于慣性參考系。孤立質(zhì)點(diǎn)相對(duì)它靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系為慣性參考系。在非慣性參考系（加速參考系）中牛頓運(yùn)動(dòng)定理不適用，由于不受外力的物體在該參考系中也可能具有加速度，與牛頓第一運(yùn)動(dòng)定理偏頗；只有在慣性參考系中牛頓運(yùn)動(dòng)定理才適用。但通過(guò)慣性力的引入可以使牛頓運(yùn)動(dòng)定理中的第二定理的表示方式在非慣性系中適用。
相對(duì)于一個(gè)慣性系作加速運(yùn)動(dòng)的參考系一定是非慣性系。因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)形成加速度，所以相對(duì)一個(gè)慣性系作轉(zhuǎn)動(dòng)的參考系也一定是非慣性系。自然界中不存在嚴(yán)格的慣性系，任何物體間都有萬(wàn)有引力，參考系所選取的參照物總要遭到引力作用而形成加速度。一般覺(jué)得太陽(yáng)系相對(duì)于地情系和地面系來(lái)說(shuō)是較好的慣性系，其次是地情系。
1905年以來(lái)，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論推翻了牛頓構(gòu)建的大部份科學(xué)體系。愛(ài)因斯坦強(qiáng)調(diào)，牛頓運(yùn)動(dòng)定理在超出精典熱學(xué)范圍或質(zhì)點(diǎn)、慣性參考系以及宏觀、低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題等適用條件時(shí)，不再組建。
牛頓運(yùn)動(dòng)定理只適用宏觀問(wèn)題。解決微觀問(wèn)題必須使用量子力學(xué)。
牛頓運(yùn)動(dòng)定理只適用低速問(wèn)題。若物體的速率與光速接近時(shí)，必須使用狹義相對(duì)論。
－End－