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发信人: apus (无言), 信区: Science
标  题: 四、 引力导致熵减初探>(已在《网上物理教学》发表) 
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月27日20:57:00 星期五), 站内信件

引力导致熵减初探
何沛平 朱顶余
提  要：本文运用经典的分子运动论知识，试图证明引力可以导致系统内熵减，并说明
熵增原理是有局限性的。引力可使物体出现下层温度高于上层温度的现象，地球内部存
在高温热源是这种现象的实例，地热主要来源于地表太阳能，是地球引力云集地表吸收
的太阳辐射的结果，宇宙中的所有星体都具有这种特性。
关键词：引力、熵减
一、 在重力场中热运动的特点
    为了使讨论简化又不失代表性, 这里讨论单原子理想气体在重力场中的热运动情况
，并设重力场是均匀的，又假定气体分子不受其它力的作用，即忽略分子之间的相互作
用力，这样单原子理想气体就象完全弹性球在重力场中作紊乱运动。
    设该单原子理想气体分子分布在空间点阵上，如图所示，小园圈代表一个单原子气
体分子，小园圈位置表示气体分子平均自由程的中点。由于气体分子不可能僵死地停在
那个位置上，而是作高频碰撞，即作热运动。这里假设某两个相邻分子在沿重力线(图中
带箭头的纵向平行线)
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作往复运动，且发生对心碰撞，若各个原子的质量相等，且在碰撞刚接触时速率相等，
根据动量、动能守恒关系，则碰后的两个分子速率亦相等，此后一个沿重力方向受重力
作用作加速运动，另一个背离重力方向受重力作用作减速运动，当各自回到图中所表示
的位置时，上面的分子速率必小于下面的分子速率，即恢复到原先各自在相同位置的速
率，这仅是碰撞的一个回合情况，以后无论多少次碰撞也都如此，如图中自上而下分子
的速率依次递增，对于任意碰撞过程在重力线上的分量均具有这种特征，宏观上表现为
物质下层温度高于上层温度的稳定状态，这就是重力场中物质内部热运动能的分布特点
。
二、引力与物质内部温度分布的关系
    单原子理想气体在重力场中温度分布沿引力线方向有一定梯度(dT/dZ)，即上层分子
的平均动能小于下层分子的平均动能，这种不均匀的温度分布因引力场的存在能持久稳
定下去。可将上述结论推广到一切实际物系，无论是气体、液体、固体物质它们在引力
场中均存在一个沿引力方向的温度梯度。引力产生温度梯度，一方面与引力强度成正比
，另外还与被作用的物质的分子量及比热有关，如大气层的温度梯度较小，而岩石层的
温度梯度较大, 原因是岩石的平均分子量比大气的平均分子量大。我们的地球表层平均
下降100米温度上升3℃，地壳底层约1000℃以上，大气层在竖直方向每100米相差0.6℃
，这些主要是引力因素引起的。
    引力不改变物质的内能，故原子的引力势能与原子的热运动能之和就不随地点而异
。在地球表面, 根据能量守恒定律, 应有: (1/2)kdT+mgdh=常数， 对于变化范围不大时
,则有:
                          △T=-(2mg/k)△h
三、引力导致熵减
    在小尺度空间，实验无法测出物体上下两端的温差，原因是分子的动能平均值远比
它们在重力场中的势能大(加之周围介质的热交换)，故忽略了分子所受重力的影响，所
以理想气体微观模型把每个分子速率在各个方向的分量的平均值看着相等，由于忽略了
重力的影响，导致了理想状态下得到的规律与宇宙中的一些现象不符，这就是熵增原理
与宇宙中没有热寂迹象的矛盾。
1、引力导致的熵减是绝对熵减
    熵增原理要求物体各部分的温度分布趋于均衡化，而引力在引力方向能破坏均衡拉
开温差，这种现象就是熵减(严格地讲是指温度熵减小)。那么这是相对熵减还是绝对熵
减呢？地球重力导致如绝热气柱熵减，是不是以地球本身产生相应的熵增为代价呢？分
析如下：
    我们把引力载体与承受引力的物体作总体一并考察，（由于引力机制比较复杂，我
们不妨把引力载体看着黑箱)，设引力载体参与某个可逆过程所产生的熵变为△S引， 而
被承受引力作用的某体系的可逆过程的熵变为△S体，根据热力学第二定律，可逆过程总
熵变为：
                              △S总 = △S引+△S体 = 0
因为△S体=0(可逆过程)，所以△S引=0，即引力载体内部不因其引力参与某个过程而使
自身发生熵变，引力作用过程均为可逆过程，都是可以复原的。而承受引力作用的体系
不管是否可逆，引力载体内部的熵变总是为零，因为引力是永恒的，不因其参与某些作
用而改变物质的引力恒量。比如一个重物从某一高度下落，这过程引力释放能量转化为
物体动能，若下落过程是无摩擦的(可逆的)，这物体增加的动能等于引力所释放的势能
，这并不引起引力载体内部的熵变。
    引力能不能引起熵流呢？引力是不是热流的载体呢？绝热系统是指那些与外界没有
热能交换的封闭系统，故引力不能引起绝热系统与外界热能的交换,引力不能引起熵流！
所以说,引力导致的熵减属绝对熵减。
2、几个重要事实
    ①、如果在地球表面和地壳深处各埋设一个热电材料，并用良导体相连，由于这两
端材料存在着温度差，因而产生电位差及电流，这就是一个温差电源。这个电源工作的
结果有拉平两电极温差的趋势，而引力却竭力维持这个温差，这就成为永恒的电源。这
样一个永恒的温差电源到底消耗着什么资源呢？是引力资源吗？温差电源工作的过程是
削弱引力的过程吗？显然不能！所以说，从地热取之不尽的角度讲，地球包括所以的星
体都是“第二类永动机”，不过无法人为制造。
    ②、宇宙无热寂迹象，如在太阳系中，尽管真空中的温度很低(微波本底幅射仅3K)
，并不因太阳加热45亿年而升温，没有一点热均衡的趋势。
    ③、引力场使物质产生温度梯度，如地球内部存在着丰富的热能就是最好的证明。
关于地热的来源过去有几种解释，一种说法认为地球是大爆炸的产物，地热是爆炸的余
热，以及认为地热是地球形成时引力收缩做功形成的，若按熵增原理解释，40亿年足可
以使地心凉透，然而没有！另一种说法认为地热来源于地球内部放射性元素的衰变，即
原子能，已知地核温度高达5000℃，如果说这主要由放射性元素产生的话，那地球早就
应爆炸，因它无法象核电站那样受控，所以说尽管放射性元素产生地热是可能的，但不
是产生地热的主要来源，地热的主要来源是重力云集太阳能而得到的。
    综上所述，引力实现了热量从低温物体转移到高温物体而不消耗其它资源，既不付
出“其它代价”，也不留下“其它后果”。从“绝热气柱熵减”及相关事实看，引力导
致的熵减属绝对熵减过程，是与熵增原理不一致的(绝热体系的熵永不减少)，说明热力
学第二定律既没有顾及引力作用、又是在小尺度空间总结出来的规律，是有局限性的。
在小尺度空间引力对分子运动不起主导作用，是人或仪器很难观察到的，而在大尺度空
间就不能忽视，严格地讲熵增原理只适用于无引力场环境(事实上宇宙中引力无处不在，
因为引力没有屏障)，对于有引力场环境，则适用于与引力线相垂直的平面上；而熵减现
象发生在有引力场且在引力场方向上，熵减只有通过热传导方式才能实现，而热辐射和
对流则不能。
    恩格斯早就指出：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径转变为另一种运
动形式，这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来。”我们现在初步认清了引力是
集结太空热能的直接原因，引力拖住了熵长(实现了熵的循环)，宇宙不会出现热寂，世
界的末日不会来临。地球内部热能总量相当于全球煤炭总储量的1.7亿倍，地热主要是重
力云集太阳的热能的结果，它既是火山、地震、温泉的动因，也是人类取之不尽、用之
不竭的清洁能源。
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何沛平   223400 江苏省淮阴市电视大学涟水分校
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朱顶余  223405 江苏省涟水县保滩中学

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                 落叶的季节

                 也正是成熟和收获的季节。  

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