精华区文章阅读

发信人: apus (无言), 信区: Science
标  题: 三、关于“重力场中气体温度分布规律”的探讨(已在�
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月27日20:56:10 星期五), 站内信件

关于“重力场中气体存在温度梯度”的探讨
朱顶余何沛平
    内容提要：本文提出重力场中气体体系沿高度存在温度梯度的设想,并用分子运动论
等知识进行分析，同时给出理想气体的温度分布导函数，探讨该问题可对“宇宙为何不
热寂”和“地热的主要来源”等给出全新的解释。
    关键词：引力场、温度梯度、熵、热寂、地热
    前人已对重力场中的气体分子密度分布给出了函数关系，即所谓大气压公式，该公
式描述了气体具有下部密度大于上部密度的规律。同时人们又假定重力场中气体温度分
布是均匀的，气体温度不随高度而变化，本文对温度均匀的认识表示怀疑，提出重力场
中气体温度分布也存在着下高上低规律的看法。现分述如下：
    一、对重力场中气体沿高度存在温度梯度的分析
    1、指导思想和方法
    我们知道，玻尔兹曼是原子论和力学宇宙观的信奉者，并用分子运动和相互碰撞来
研究热力学问题。重力场中气体沿高度是否存在温度梯度？我们也运用经典的分子运动
论、统计物理和机械能守恒的思想进行剖析，这里忽略波动性把分子视为完全弹性球，
将分子在空间的几率中心看着分子所处位置，虽从个别粒子进行研究，但强调统计平均
结果。
    2、在无重力场中小球“雨林”及气体分子的运动特点
    ①、在无重力场中小球“雨林”的运动特点
    如图1中，设容器中许多小球(完全弹性)作上下往复运动，形成小球“雨林”,因无
引力势，根据机械能守恒定律，小球在任一处的速率都相等。
                   图1                                 图2
    ②在无重力场中气体分子的运动特点
    如图2中，设容器中装有理想气体(或稀薄气体)，气体分子与上述小球“雨林”的主
要区别在于分子之间存在着频繁复杂的碰撞。a、先考察分子在上下方向发生对心碰撞(
完全弹性)，设两相向碰撞的小球质量相等、速率相等，碰后两小球各自返回(如碰前速
率不等,两球碰后会交换速率),这与小球不发生碰撞作单独运动一样，即这种情形等价于
小球“雨林”；b、再考察分子的复杂碰撞，分子运动是三维的,在各个方向会发生偏心
碰撞，这会出现分子的平动动能转化为非平动动能(转动、振动)，也会出现相反的情形
，根据能量均分定理,该容器中各个自由度上的动能平均值是稳定的，即在各个方向上平
均速率相等，所以这两种情形出现的概率相等,表现出在A、B两个层面中既无密度差也无
温度差。从统计角度看,偏心碰撞也等价于对心碰撞,又分子碰撞无动能得失(完全弹性)
，故碰撞体系等价于无碰撞体系；分子在上下方向的平均速率也相等，这也就等价于小
球“雨林”。
    3、在重力场中小球“雨林”及气体分子的运动特点
    ①、在重力场中小球“雨林”的运动特点
    如图1中，设容器处于自上向下的重力场中，且小球(完全弹性)作上下往复运动，根
据机械能守恒定律，当小球逆着重力线方向运动动能渐减，顺着重力线方向运动动能渐
增，当小球拥有动能较大时其势能较小，而小球动能较小时则势能较大。再设想容器内
有众多的小球形成小球“雨林”(设按理想气体的一维速率分布)，可以证明在这样的“
雨林”中，任意一个水平面上小球的速率分布均符合一维麦克斯韦气体速率分布，且平
均动能与势能之和不随高度而异，容器中B层小球平均速率大于A层小球平均速率，即容
器中小球的速率存在着上小下大的梯度。
    ②在重力场中气体分子的运动特点
    如图2中,设容器处于自上向下的重力场中，容器中装有理想气体(或稀薄气体)，A层
的引力势高于B层的引力势，若追踪某个运动的粒子观察，当其朝着重力方向总是动能增
加，而逆着重力方向总是动能减少。从大量粒子随机运动的统计平均结果看，当A层粒子
进入B层时，粒子运动受重力作用使动能增加，相反,粒子从B层进入A层时动能减少,又碰
撞体系等价于无碰撞体系，故B层粒子平均动能大于A层粒子平均动能，在重力方向当然
就类似于上述小球“雨林”的情形。因温度是大量分子平均速率的体现，所以在群体上
则表现为沿重力方向体系的温度渐增，反之渐减。如果装有理想气体的容器从无重力场
移至有重力场空间，经过一段驰豫时间后，气体能形成下高上低的稳定的温度梯度和密
度梯度。
    4、重力场中气体沿高度存在温度梯度的佐证
    对于本文的上述分析有人可能还会有疑问,对此我们只能联系物理事实来甄别。以气
态天体为例：如果气态物质在引力方向不存在温度梯度，星体边缘与中心气体温度相等
，且温度很高分子速率很大，而引力大小与距离星体中心的距离成反比，那么星体边缘
的气体分子将摆脱引力的束缚而逸散殆尽，事实并非如此！所以说，气态天体一定存在
着温度梯度，且外缘的气体分子平均动能应趋于零。
     5、把重力产生温度梯度的特性推广到一切物系
    上述是以理想气体为例进行分析的,那么引力作用于实际气体、液体和固体是不是也
能产生温度梯度呢？笔者认为是肯定的，因为通常物质都是由分子(原子)组成，只要物
质温度高于0k，分子(各粒子) 都处于热运动状态，气体各分子是无规则的、随机运动，
没有固定的空间位置，而固体象理想晶体(如原子晶体)，原子之间靠共价键(相似于完全
弹性的簧) 连接，每个原子只能在平衡位置附近作往复运动(即热运动)。晶体在无重力
场中各原子通过化学键的作用，各原子振动平均速率均衡；当晶体处在重力场中, 原子
运动受到化学键和重力双重(叠加)作用。当原子向下运动时，原子压缩、拉伸其相连的
“键簧” 时得到重力的帮助，故只须较小的动能即可；当原子向上运动时，不仅要压缩
、拉伸其相连的“键簧”,还要克服重力的影响，故须较大的动能方可。已知理想气体在
重力场中平均动能表现为上低下高的性质,而固体内虽存在结合力，但并不影响重力对分
子的作用，固体处于重力场中仍等价于上述小球“雨林”的情形，其叠加效果仍会产生
由重力场导致的温度梯度，即气体在重力场中产生温度梯度的性质是可以推广到凝聚态
的。所以，重力产生温度梯度的特性适用于一切物系。
    二、重力场中温度分布规律的给出
    我们可以证明：重力场中成分均匀介质的温度随高度变化的关系式为：
    dT/dh=-mg(h)/Cp, [g(h)=GM/r2 ]   (1)
(1)式推导过程从略(因推导过程超出本文范围，加之篇幅太多)。
在匀强重力场中，其介质的温度梯度公式为：
    dT/dh=-mg/Cp, , (2)
(2)式中m为摩尔分子质量，Cp为摩尔等压热容，对于单原子理想气体：Cp=(5/2)R，；双
原子分子气体：Cp=(7/2)R,,金属：Cp=3R；R为普适气体常数,R=8.31焦/度·摩尔。(2)
式说明介质的温度沿重力线存在一个温度梯度, 其中负号表示温度随着高度的增加而降
低。
例题：在地球表面，100米高度的绝热空气柱，其上下温差是多少？(大气平均分子量为
28.97)
解：  由(2)式处理得：ΔT=-(mg/Cp)Δh
      ΔT=-[(28.97*10-3*9.8)/(7/2)*8.31)]*100=-0.97(K)
      地表的大气层实际温差平均值是0.6k,理论计算和实际大体接近,其差别可能是空
气对流等
      因素造成的。
    三、对一些自然现象给出全新的解释
    1、对宇宙不出现热寂的解释
    过去，对于宇宙不热寂分别有涨落说和麦克斯韦妖说解释，但这些解释都不能令人
信服。目前流行的大爆炸理论也对热寂作出解释，但这理论仍然是崇尚热寂的，只不过
换过说法而已，该理论认为：对于一个静态的体系(或宇宙中的局部空间)总是趋于平衡
态，但宇宙是膨胀的(看着气体膨胀),宇宙根本不能达到平衡态,所以宇宙不会出现热寂
。笔者认为大爆炸理论的上述解释是错误的,不论宇宙是膨胀、收缩或静态，宇宙都不会
进入热寂。因为星体引力在引力方向存在温度坡度，可发生两种情形：①、如果一个星
系原是热均衡态，温度处处相等，在星体引力作用下，热量将向引力中心转移，使引力
中心温度很高，而外围温度很低；②、如果一个星体与周围已形成温度坡度，这温度坡
度是由星体引力大小和星体物质的分子量决定的，当外界施给热量的影响时，引力将始
终维持一定的温度坡度，即引力在一段高度内温度差是恒定的。虽然高温星体把热量辐
射到太空中，是形成热寂的主要途径，但不论是气态、固态星体的引力应竭力维持一定
的温度梯度，故都具有云集太空中热量的功能，实现了热量的回流，所以宇宙永远不会
出现热寂。
    2、对地热来源的解释
    地下热能储量巨大，相当于全球煤炭储量的1.7亿倍。前人对地热的来源尚无准确定
论，目前主要有两种解释：①、地球内部的放射性元素蜕变放热，即原子能；②、地球
在形成初期体积收缩挤压产生热量，笔者认为上述解释有一定的道理，但并不是产生地
热的主要来源。如果是第一种，有两种情况：a、地热温度呈外低内高按一定梯度的分布
，那热源必在地心，这不就是原子弹吗？后果不堪设想；b、矿物分布通常遵循“物以
类聚”的原则，如果地球内部的放射性元素分布(热源)与地热分布一致？显然这不合情
理。如果是第二种，依据熵增原理，地心高温区热量应流向地表低温区，直至地表和地
心温度一致，然而40多亿年也没有将地心凉透！我们研究认为：地球的重力常数和物质
的分子量决定了地心至地表的温差，当实际温差大于或小于额定温差时，将通过热量的
转移来调整，重力具有云集地表低温热能的能力，地热主要来源于外部空间。一些不具
有核燃料的发光星体，可能也是运用上述机制获热能的。
    四、综述
    本文讨论的是理想情况，是指理想气体在无内外热源(无外来辐射)、无对流，且处
于绝热静态引力场中的情形。而实际系统气体的温度分布是由各种因素共同影响的结果
，如大气层中的平流层和热成层确出现反常的温度分布，这可能是其它因素占主导地位
导致的，如平流层的下部分是臭氧层，臭氧对太阳光的吸热特性可能是形成上述现象的
原因；又如热成层是大气层的第一道屏障，空气大量吸收太阳的热使该层上部迅速升温
，这些现象都不能成为否定重力场中理想气体下高上低温度分布的普遍规律的理由。总
之，重力场中气体不仅存在密度梯度，也存在温度梯度。本文虽通俗简单，但思路是科
学明晰的(另一证明思路将由另文介绍)，作者敢断言引力场中的一切物系均存在着稳恒
的温度梯度这一结论(这是不服从熵增原理的)。
    作者通过本文向世人提出一个推理性的猜想，即引力可以导致热量的转移“维持或
修补”星体的温度坡度，直至达到稳恒状态，敬请有识志士对此观点给予甄别。
----------------------------------------------------------------------------
----
朱顶余：223405 江苏省涟水县保滩中学
何沛平：223400 江苏省淮阴市电视大学涟水分校
Tel：0517-2321673(宅)
E-mail：lshpp@public.hy.js.cn

--

                 落叶的季节

                 也正是成熟和收获的季节。

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.229.110]

Science 版 (精华区)