phymath01 分子运动论的思想方法是：将单原子理想气体分子视作弹性小球，这些弹性小球在重力作用下将发生加速运动，小球的动能

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回答: Redshift01 红移度規01 由 marketreflections 于 2011-12-05 17:04:19

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温度在力场中的梯度分布律

投稿时间：2011-10-07 19:15:19 投稿人：朱顶余【字号：大中小】

1、导言

人们从来不敢相信引力场与温度场一样也会影响物系的温度分布;笔者也不例外，但是本文所得到的严谨而朴素的逻辑结果居然震撼着笔者传统的温度分布观念。

而热统界之所以一直以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的温度体梯度)，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;也正是因此，本文仅仅凭借人们所熟知的基础物理学中的基本思想方法——分子运动论;同时结合代数学中的基本逻辑，进行了通俗朴实的谨慎推理;以期能裨益人们对温度分布规律的再认识;其实本文若能引起人们的怀疑与争论……笔者也就感到欣慰了。

2、相关的数学逻辑

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。

2.1 一组大小各异的同向矢量之平均量肯定不等于零

其一，就是指一组大小各异的同向矢量的平均量肯定不等于零：

且总有αm,n=0， |Am|≠|An|

其中αm,n表示任意两个矢量(Am、An)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。

2.2 “微商”与“平均”的结合与其次序无关

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)：

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。

2.3 上述两个数学逻辑的结合

如果Ai≡∇ei，则有：

这第(3)式就是将第(1)、(2)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。

3、上述数学结果在热学中的运用

若ei代表第i个分子的热运动动能，即若有ei≡miui2/2;当然还须保持矢量∇miui2/2的方向都相同;则必有

又因为在热学[1][3]中有(为了简便，这里不妨暂且只讨论单原子理想气体)：

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：

这里的关键就是要求矢量∇miui2/2的方向必须都保持相互一致!这意味着分子的动能梯度[2]∇miui2/2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。

4、推论

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

这里以重力方向为正方向;其中ui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”[2] ∇miui2/2;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。这仅在重力场(z)方向，而在水平(x、y)方向是没有温度梯度的。

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!

5、综述

分子运动论的思想方法是：将单原子理想气体分子视作弹性小球，这些弹性小球在重力作用下将发生加速运动，小球的动能将随着位移而变化，这种对位移的变化率，便被称谓动能梯度。因为小球在重力作用下在重力方向存在着位移分量，这位移分量乘以小球所受到的重力便等于重力对该小球所作的功。依据(质点的)动能定理，这时重力对小球所作之功等于小球动能的改变。那么将小球的动能的改变(微分)再除以位移(微分)就叫小球的动能梯度。显然，小球的动能梯度就等于小球所受到的重力;而重力属于一种矢量，所以小球的动能梯度也就属于一种矢量;又因为重力的方向在不太大的范围内是(近似)平行的同向矢量，所以小球的动能梯度也总是(近似)平行的同向矢量;而同向矢量的平均量是不等于零的!除非这些同向矢量全为零，而小球在重力场中的动能梯度显然不等于零，除非重力场强度等与零;所以小球的动能梯度的平均量肯定不等于零!

我们知道这些小球的行为就是对单原子理想气体的个别分子在力场中的行为的写照，也就是说，单原子理想气体分子在重力场中受到重力的作用都存在着方向一致的动能梯度。这些分子的动能梯度的平均量肯定不等于零!我们都知道，只有分子的物理参量的平均量才属于可观察(测量)的宏观量，例如分子的动能的平均值正比于温度;温度是可观测量;也就是说分子的平均动能是可观测量;那么分子动能的梯度的平均量也必然是个可观测量，即属于一种宏观量;那么分子的动能梯度的平均量究竟对应着怎样的可观测的物理量呢? 我们知道，如果将“(求)平均”的运算与“(求)微商”的运算交换次序，这并不会改变这两种复合运算的结果，那么我们就不妨来个次序交换：即先对分子的动能求平均，尔后再求其梯度，那么对分子的动能求平均就可或得气体该点的温度，再求其梯度，也就是再对其温度求梯度，这温度梯度就是分子动能梯度的平均量所对应的宏观量(即可观测量);其结果当然也应该不等于零!因为上面已经得到结论：在重力场中理想气体分子动能梯度的平均量肯定不等于零;那么换言之也就等于说重力场中的理想气体内部肯定存在着不等于零的温度梯度。至此为止，本文已经用这个简单朴素的思路轻松获得重要结论：在重力场的作用下气体系统内部必然存在着不等于零的温度梯度!思路就这么质朴、简单!

感谢：浙江大学沈建其教授（http://coer.zju.edu.cn/showmembers.php?id=16），参与细致的讨论与实质性指正。

参考文献

[1] 汪志诚，《热力学·统计物理》(第三版)，北京：高等教育出版社，2003.3。

[2] 赵凯华，罗蔚茵，《力学》(第一版)，北京：高等教育出版社，1995.7。

[3] 赵凯华，罗蔚茵，《热学》(第一版)，北京：高等教育出版社，1998.2。

我要讨论

网友讨论：

1楼

朱顶余：

这里虽然仅以单原子理想气体为例，定性地证明了力场可以导致其体系内存在着正比于力场强度的温度梯度;但该结论却具有普遍意义;即可以(定量地)精确证明力场不仅可以导致单原子理想气体系统存在着特定的温度梯度，力场也可以导致任何形态(诸如液体固体晶体如金刚石、食盐晶体等形态)的物...

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2011-11-15 19:37:07

2楼

王惠鑫：

高深，看不懂，但是有个小小的疑问？考虑浮力了吗？在相对静止的空气中怎么会有统一向下的动能呢？只不过是由于重力作用越下方密度越大，重力和浮力相平衡，如果有动能产生，不是下方空气越来越密，最后形成一层膜了吗？

2011-11-16 08:21:01

3楼

胡勤丰：

采用现有热学关系式、力学关系式，所能推导出的宏观“力、温”梯度、最多也只能发现或指出宏观“力、温”梯度的存在。采用时空同步放缩性“三个物理量”的无量纲参照常数，所支撑衬托的时空同步放缩性力学扩展参照系的理论解析方法。则有可能能够同时推导导出力度、温度的微观产生形态，与宏观...

采用现有热学关系式、力学关系式，所能推导出的宏观“力、温”梯度、最多也只能发现或指出宏观“力、温”梯度的存在。

采用时空同步放缩性“三个物理量”的无量纲参照常数，所支撑衬托的时空同步放缩性力学扩展参照系的理论解析方法。则有可能能够同时推导导出力度、温度的微观产生形态，与宏观“力、温”梯度形态之间的对应关系式。采用时空同步放缩性力学扩展参照系，理论解析宏观、常观、微观性“力、温”物理形态之间的对应关系之时，您所述的宏观“力、温”梯度形态，是必然的。且将会导出很多新的物理概念。

这是因为：在任意常观物体所占有的空间位置上，常观物体的“引力、温度”形态，都是同时存在的。我们所能识别的主要客观“温度”形态，也就是“电子运动轨迹”的“变化性振动动量”形态。而在其常观物体所占有的空间位置上，实际上还将“同时”存在着“宇宙背景空间粒子场粒子”的“动量”、量子“系列”粒子的“量子波”“动量”，以及单个原子核质子的“引力方向变化性”“动量”，等等“微观性动量”形态所呈现出的温度。且其“微观粒子的变化性动量”形态，在单个原子、或单个常观物体上所能呈现出的“任意瞬间时”温度“量”，我们是无法识别、无法测量的(我们所述的任意空间位置上的物体温度、环境温度，都是包括了微观粒子‘瞬间时’变化性动量的平均温度值)。我们只能从“微观粒子的触及性冲击作用时间足够长”的“热传递、热吸收、热释放”过程中，将其归纳成一种“热辐射”现象。

在一个宏观性地球“物体”所占有的空间位置上，足够多数目、足够多种“体积差、密度差”类别的微粒，在足够作用时间长的条件下，将必然能够产生宏观“力、温”梯度。我们可以“另行”推导导出必然性的宏观“力、温”梯度。

参考资料：

《系统与物理、经济参照系》　胡勤丰　“第十届人-机-环境系统工程大会论文集”　主编　龙升照　B.S.Dhillon Scientific Research Publishing (SRP)出版

《生物分子的微观生化形态的定性解》胡勤丰　《第二届国际整合植物生物学学术研讨会》论文摘要集

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2011-11-16 10:55:46

4楼

朱顶余：

回复王惠鑫：（分子的）“动能梯度”是属于一种微观量，温度梯度、密度梯度则都属于一种宏观量（即统计量）；虽然在整体（表观）上看气体并没有发生“下沉”运动，但气体内部的各个分子都一直在不停地到处乱蹿……在力场中，分子在乱窜过程必然出现动能梯度。

2011-11-20 19:16:07

5楼

朱顶余：