3温度与引力关系浅析

3、温度与引力关系浅析（1）现代物理学对于引力与温度关系的认识在重力场中的三维空间中,介质在xyz方向上温度均为常数,即终极态均温。如郎道、吉布斯、王竹溪的热力学著作中均有专门介绍,他们都是利用能量判据导出了在重力场中温度是到处一样的结论,即重力场不影响温度分布。热统界之所以一直认为力场只能导致物体（气体尤为明显）的密度作不均匀分布，但不能影响物系的温度分布,这不仅是因为力场所导致的温度梯度很微弱（《大气科学》早就明确指出绝热稳衡态的大气柱存在着大约0.97k/100m的温度梯度；地热的研究也表明地球内部存在温度分布；宇宙无热寂迹象），不易检测；更是因为人们并没有从理论上予以清晰而严密的证明,更没有进行过质疑和讨论。（2）当前温度与引力关系的实验目前，关于温度-引力实验主要有三类：1、物体之间的相互作用与物体相对于周围的环境温度有关：高于环境温度的产生引力，其温度越大，引力越大；低于环境温度的产生斥力，其温度越低，斥力越大。李华旺将万有引力常量实验仪的两个大铅球加热后放到仪器上，发现引力变大；两个大铅球的温度越高，引力越大。他将两个大铅球放到冰箱里，使它们降低温度，然后放到仪器上，发现引力成了排斥力；两个大铅球的温度越低，排斥力越大。他又把引力常量实验仪置于真空罐内，使实验室内的温度上升，真空罐内的温度没有变化，但大小铅球也相互排斥了。冯劲松也进一步做了类似的真空实验，结果相同。2、物体的温度升高，重量变轻。几年前，冯劲松等通过加热不锈钢和铝试件显示了这一点。其实，早在1923年就有人进行过这方面的实验；2008年，俄罗斯科学家也发表了有关论文。3、质量较大的物体，其质心温度较大。李华旺将1000KG和10KG的两个铜球放在温度变化极小的山洞里，用热敏电阻测得大球的中心温度比小球的高约0.015。C。（3）重力场中介质的温度分布（朱顶余，何沛平）这里只运用两个通俗的数学逻辑：其一，就是一组大小各异的同向矢量之平均量肯定不等于零；其二，就是微商与累和这两种运算的结合与其次序无关。其一，就是指一组大小各异的同向矢量iA的平均量肯定不等于零：01iiA且总有,0mn，mnAA其中,mn表示任意两个矢量（mnAA、）之间的夹角。这是一个最简单不过的数学逻辑；因为只有大小和方向都各异的一组矢量才有可能相互抵消为零；而大小各异的同向矢量只能相互加强，除非全为零；又因其大小各异，所以不可能全为零，也就是说这第1式所示的结论毋庸置疑。其二，就是“微商”与“平均”这两种复合运算的结合与（这两种运算的）次序无关（即若颠倒这两种运算的次序并不影响该复合运算的结果）：2iiiiee其实这就是代数学中常说的所谓的（“运符”）“交换律”，究其实质也就是“（微商）分配律”；乃属一种常用的计算方式。如果iiAe，则有：03iiiiiiAee这第3式就是将第12、两式所示的数学逻辑结合使用所得到的结论。这第3式所示的数学结论将是下面进行推理的逻辑基础。若ie代表第i个分子的热运动动能，即若有22iiimue；当然还须保持矢量22iimu的方向都相同；则必有220422iiiiiiiimumuA又因为在热学中有（为了简便，这里不妨暂且只讨论单原子理想气体）：23522iiimukT其中T表示物系某一点的热力学温度；k则表示波耳兹曼常数；由此便得到了很有意义的结果：602222Tgmumumiiiiii这里的关键就是要求矢量22iimu的方向必须都保持相互一致！这意味着分子的动能梯度22iimu必须是由（宏观的）外场（含引力场、加速场）所导致的，即要求外场属于一种宏观力场；因为宏观的力场可以使（单原子）理想气体系统内的每个小局域（子系统）的各个分子具有方向一致的动能梯度。一般而论，在重力场中的粒子始终受到重力的作用，所以在重力场中任何类型的物系（含非理想气体）的各分子也都必然始终叠加着同一方向的动能梯度272iiimumg这里以重力方向为正方向；其中iu则表示第i个粒子相对于体系（小局域）质心．．的平动速度也就是说，在重力场中分子还受到重力的作用，分子的动能在位移中必然发生附加的改变——具有所谓附加的“动能梯度”22iimu；这附加的动能梯度正比于力场强度；这是一种（附加）矢量，其方向都与重力方向一致；所以重力场必然迫使（同一小局域的）各分子附加着方向一致的动能梯度。依第6式得知，重力场（含加速场）必然导致物系内各点都叠加着正比于力场强度的温度梯度。重力场（含加速场）虽然不能使同一个小局域（子系统）每个分子的热运动方向都保持相互一致；但却可以使各个分子附加着同一方向的加速度（即附加着同向的动能梯度），导致物系各点都叠加着一个正比于力场强度的温度梯度！分子动能引力梯度的平均值(∑▽E)/n就是分子动能平均值（∑E）/n的引力梯度▽[（∑E）/n]；即有关系式：(∑▽E)/n=▽[（∑E）/n]；一般地有∑▽B=▽∑B；即交换运符次序不影响其结果（即运符交换律）；而分子动能平均值正比其温度（∑E）/n=βT；其道理就这么简单。运用“质点系”的相关理论处理单原子理想气体系统所得结果比波耳兹曼积分微分方程(H定理)的推论更朴实明了。在力场中每个（理想气体）分子（在自由程中）都服从（热运动）动能定理▽E=m(g-a)；设分子的热运动动能表示成E=(mu^2)/2；其中m为分子量，u为分子相对于小局域气团的质心的运动速度，即有u=v-C；其中v为分子的平动速度；C则为气团质心的平动速度；g表示外场加速度，a为（小气团）质心加速度。（∑E）/n=βT表示分子动能的平均值正比于其温度T；β为比例系数；∑“求和”的运符；n表示分子数，T表示当地温度。∑▽E=▽∑E表示“求和”与“梯度”这两种“算符”位置的交换并不影响其结果；其中▽即表示“梯度”。μMg=(∑▽E)/n=β▽T=-μV▽p中含有静力平衡条件V▽p+Mg=0；M=Nm，其中N为摩尔分子数；因为g≠0；故因有μMg=(∑▽E)/n=β▽T，故知▽T≠0；又因V▽p+Mg=0，故知▽p≠0，再由状态方程得，V▽p+p▽V=R▽T；故知p▽V=R▽T-V▽p=(1-Rμ/β)Mg≠0；即▽V≠0；其中V表示摩尔体积，固有Vρ=1；这里ρ则表示摩尔数密度。这里▽V≠0表示，在力场中气体的密度梯度不等于零。所有这些都是数理逻辑的结果；这里利用了：静力平衡条件，状态方程(含动能温度约定式【（∑E）/n=βT】)，动能定理；获取力场温梯关联式（μMg=β▽T≠0）以及p▽V=(1-Rμ/β)Mg≠0，V▽p=-μMg≠0。即使是波耳兹曼积分微分方程，也没有从理论上导出在重力场中不仅存在着压力梯度和密度梯度同时还必然存在着温度梯度，人们都可以利用静力平衡条件确定在力场中必然存在着压力梯度，至于究竟是否存在着密度梯度或温度梯度，那就只能靠“维象”经验，因为高空大气稀薄，所以就以为只存在着密度梯度，虽然也观测到了大气的温度梯度但由于太阳的辐射的干扰……因而掩盖了力场所贡献的那部分微小的梯度成分……密度梯度，压力梯度，温度梯度这三个梯度需要三个独立的关联式才能唯一定夺，人们仅仅注意到了状态方程与静力平衡这两个约束条件是不够的，必须再注意到“（分子）动能定理”才能唯一确定。这里需要特别提出强调的是：即使如此也只能得到定性的结论，因为其中尚存一个未知的比例系数“μ”，至于其中的“β”则属于定体比容（这属于已知量），欲进一步澄清这个比例系数“μ”，必须再挖掘一个关系式……好在，现在已经可以定性地确定：在力场中的平衡态体系不仅存在着压力梯度和密度梯度，还必然存在着温度梯度！这无疑是迈出了突破性（挑战性）的一大步……为了再挖掘出一个潜在着的参量关联式，我们不妨设想有这样一个过程：（在惯性空间）有一个气柱从匀速直线运动开始产生加速度且渐渐增大......这就相当于惯性空间产生外力场且渐渐增大力场强度。此时该气柱也从参量均匀分布状态开始产生且渐渐增大压力梯度、密度梯度以及温度梯度，而且这正比于力场强度的温度梯度一直没有伴生传导热流，即其各局域一直处于热孤立（绝热）状态，各个局域都一直在进行绝热（可逆）“压缩”......虽然各个局域的绝热（可逆）“压缩”的程度不尽相同，但却都具有共同的起点（初始状态）。或曰虽然各局域具有不同的“压缩”进程但却都处在同一条绝热曲线上。就是因为各个局域一直处于（无热流伴随的）绝热（可逆）“压缩”过程，尤其具有共同的起点（初始状态）。换言之，在初始状态，体系的一切热力学参量都处处相等，当然其摩尔熵也处处相等，当其出现加速度且逐渐增大过程，诚然遂即出现了（正比于加速度的）温度梯度但却并未伴生传导热流，故而各局域便开始进行绝热（可逆）“压缩”，依据熵增定律（绝热过程其摩尔熵永不减少，只有绝热可逆的过程才能保持其摩尔熵不再增加）这属于一种“定熵过程”，也就是说各局域的摩尔熵一直保持着初始值不改变，因为体系初始状态各局域具有相等的摩尔熵，所以这种等摩尔熵的关系一直保持不变。这就得到了一个重要结论：在力场中的平衡态各局域具有相等的摩尔熵（CvlnT+RlnV=常数）；即满足同一个绝热方程：（T^Cv）V^R=新常数。这个结论对（理想气体）自引力体系很必要；因为只有依据这个绝热方程，再结合状态方程以及静力平衡条件这个三个约束条件方可唯一确定自引力体系的三个未知函数：即压强分布函数，密度分布函数以及温度分布函数；若对其温度分布函数求导即得精确的温度梯度函数；这时所得的温度梯度已经不再是定性的结论了。顺便指出，人们在建立声学方程时早就使用着“绝热方程”（被人们称之为“泊松方程”）。（人们使用绝热方程的）理由是，因为声振动过程太快，介质中出现的温度梯度瞬间即逝，来不及驱动（传导）热流，故而近似作一种绝热波动过程，也只有这样所得的声速计算公式才得到测量结果的支持。现在方知，并不是因为“介质中出现的温度梯度瞬间即逝，来不及驱动（传导）热流”，而是这种非惯性运动（振动）所导致的（正比于当地加速度的）温度梯度不管持续多久都不会导致传导热流的产生；因而在可逆的绝热波动过程，介质各点的热力学参量必然被同一个绝热方程所关联。虽然分子在自由程中受到重力的作用具有方向一致的动能梯度但并不意味着此时气体整体质心必然在作加速运动，因为当且仅当分子具有方向一致的速度才会表现出气体整体质心的宏观运动。众所周知，静止于地面的气柱（内盛气体的箱子）的质心相对于地面既无速度也无加速度，但该箱子内部的气体分子在自由程中却一直保持着方向一致的动能梯度即具有方向一致的重力加速度，那么为什么整个气体的质心却没有重力加速度呢？因为整个气体质心的加速度应该等于各个分子的加速度的平均（只对于单元系），这里最容易被疏忽的就是器壁一膜层（分子直径的厚度）的分子却叠加着方向一致的器壁反弹加速度（器壁的托力所致），这些加速度的平均值恰好抵消了重力加速速度，但必须注意：这只出现在器壁的一膜层，而在气体内部分子的重力加速度的平均并没有被抵消，所以只是在气体内部存在着温度重力梯度，而在器壁的一膜层则存在着巨大的反弹温度梯度，因为假定器壁属于零度的刚性壁，由于在气体所有分子的平动动量和等于零，所以气体质心没有速度，即没有宏观运动，但内部气体（器壁的一膜层气体例外）质心一直具有重力加速度，故而也一直具有温度重力梯度。气体质心一直具有加速度不等于一定具有速度，就好比作匀速圆周运动的物体一直具有向心加速度，但一直不具有向心速度；所以万不可将方向一致的动能梯度与宏观运动相捆绑。同时依据作用力等于反作用力定律可知，分子之间的动能撞击梯度之和必然恒为零，所以不必担心动能重力梯度被撞击梯度所磨平。器壁一膜层气体分子的平均动量虽然一直等于零，但其反弹加速度的平均值却一直不等于零，所以具有温度反弹梯度。总之，一旦存在着宏观的力场热力学体系的分子必然叠加着方向一致的动能场力梯度，即必有温度场力梯度。但由热源引起的温度梯度却未必关联着宏观力场。器壁层的那部分气体