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上一主题:本论坛禁止骗子及其帮凶发言,刘... 下一主题:量子纠缠----科学向宗教曲膝投降
[楼主]  [91楼]  作者:541218  发表时间: 2010/07/27 20:44 

对于单原子理想气体的绝热方程是:
(3/2)RlnT-Rlnρ=C 其中R表示气体普适常数,T表示温度;ρ表示数密度;C 为体系常数。状态方程则是:
p=ρRT 静力平衡条件则是: dp+mgρdz=0 其中m为气体的摩尔质量;g则为重力加速度;z 则为其参考高度。

联立这三道方程,从中解得温度分布函数:T=T.-2mgz/(5R) 其中T.为气柱底部的温度值。其中-2mg/(5R)就是单原子理想气体柱的温度的递减率,对于大气柱温度递减率就是:-2mg/(7R)。其中 m=29克

这里的重点和难点(焦点),就是 熵平衡条件 的数学表达式的获得。可 依据 平衡态原理(无熵产)运用“变分法”获得。其实 《数学物理方法》在波动方程的推导中已经使用了这个数学关系式(那里称之为 泊松方程);在《量子化学》中汤玛斯费米在推导多电子原子的电子云密度统计方程中也使用了这个关系式(泊松方程)。但他们都没有指出其来历和使用的物理依据。我为了追究其来历,就依据平衡态原理(无熵产)尝试了 变分法 意外地一举成功。

不仅处在引力场中的(单原子)理想气体达到死寂态的参量分布函数需要联合求解这三道静态方程,就是原子核周围的基态电子云的参量(密度、平均动能、压强)分布函数的获得也许要联合求解这三道方程。因为凡是随机事件的统计平衡态都服从着 平衡态原理(无熵产);我是第一个将统计物理的熵理论和思想方法引入电子云系统,这本是量子力学的任务。而且运用此法试解 类氢原子的基态电子云 一举获得圆满成功。并首次发现原子核外的电子云是有界的!我引入了 几率熵的概念;将熵概念引入电子云系统。
《量子力学》是如何获得电子云几率密度分布函数的呢?薛定谔方程的建立过程就是形式类比加猜测的过程,其正确性只能依赖试验结果来裁决!而在我这里则是步步为营的公理化方法的演绎推导的过程。

这里的关键就是死死咬住 平衡态原理(无熵产)运用 变分法 直接导出“熵平衡条件”。

这里的讨论仅仅满足于死寂态。
[楼主]  [92楼]  作者:541218  发表时间: 2010/07/27 22:39 

对于单原子理想气体的绝热方程是:
(3/2)RlnT-Rlnρ=C 其中R表示气体普适常数,T表示温度;ρ表示数密度;C 为体系常数。状态方程则是:
p=ρRT 静力平衡条件则是: dp+mgρdz=0 其中m为气体的摩尔质量;g则为重力加速度;z 则为其参考高度。

联立这三道方程,从中解得温度分布函数:T=T.-2mgz/(5R) 其中T.为气柱底部的温度值。其中-2mg/(5R)就是单原子理想气体柱的温度的递减率,对于大气柱温度递减率就是:-2mg/(7R)。其中 m=29克

具体的求解过程:

首先微分状态方程 p=ρRT 得 dp=RTdρ+ρRdT 再将此式代入静力平衡条件dp+mgρdz=0 消掉dp得

RTdρ+ρRdT+mgρdz=0

再微分状态方程(3/2)RlnT-Rlnρ=C 得 RTdρ= (3/2)ρRdT,两边同时除以dz得 RTdρ/dz=(3/2)ρRdT/dz
再将RTdρ+ρRdT+mgρdz=0 的各项也同时除以dz得RTdρ/dz+ρRdT/dz+mgρ=0 用等项替换法将RTdρ/dz换成
(3/2)ρRdT/dz便得 (3/2)ρRdT/dz +ρRdT/dz+mgρ=0 整理得 dT/dz = -2mg/(5R),

两边积分得 T=T.-2mgz/(5R)

对于大气则为 T=T.-2mgz/(7R)

其中 -2mg/(7R) 就是《大气科学》中多元大气柱的温度递减率的计算公式,m=29克。


其中(3/2)RlnT-Rlnρ=C 式可以依据平衡态原理(无熵产)运用变分法导出。


[楼主]  [93楼]  作者:541218  发表时间: 2010/07/27 22:57 

对于平衡态流体系统,一直存在着大小不等的流体元在作可逆的准静态的漫游,在绝热封闭的死寂态理想气体柱中,不仅存在单个分子作不停的漫游,还存在着规模大小不等的分子群(气团)在作漫游,气团(属于宏观系统)在漫游过程(类似于 布朗运动)一直保持绝热可逆地进行。漫游到哪里都与那里的压力与温度保持一致,所以并不存在热传导;整个体系的宏观上处于死寂态。这种理解符合整个体系处处的比熵相等的熵平衡条件的物理内涵。
[楼主]  [94楼]  作者:541218  发表时间: 2010/07/27 23:01 

to[不速游客]:当你参阅了[91楼]、[92楼],你还会觉得那道题很难么?

 ………………………………………………………………………………………………………………………………………

附:

一、初始条件(单原子理想气体系统的摩尔数=1;摩尔质量=4克;总能量=两大卡;匀强力场强度=每秒每秒两万米、系统容器的体积=两百万立方公里);

二、边界条件(系统的几何参量:横截面积等于两平方米的筒柱;物理环境:拥有绝热的刚性壁)。




依据这个定解条件解出该容器中理想气体的密度、温度、压力分布函数。并指出其底部的温度、密度、压力的精确数值(保留两位小数,小数点后第三位数值四舍五入)。

 

我是在引导你等走向诺奖台............真的!

这里的 温度梯度 决不是由热源维持的!而是由力场维持的!是 平衡态原理(无熵产)的直接推论!这个离经叛道的结论就是诺奖级结论!

 [95楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/01 14:10 

你80楼的观点没有什么创新和惊异之处,谈不上要担心“成了众矢之的”。

“温度是高度的函数”不是什么骇人听闻的结论。虽然研究静置多时的气体的温度分布,是一个较为复杂的问题,不是每个人都能考虑完整,但这个结论不是什么学术上的新创造。此外,我认为单一气体温度随着高度而增,你却认为相反,这就是我们的差别之处,只剩下谁对随错而已。你套用大气科学的结论,我觉得这与大气科学中“始终处于动态”过程是不同问题。
[楼主]  [96楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 14:34 

[“温度是高度的函数”不是什么骇人听闻的结论。]

沈博士,你依然敢公开承认“温度是高度的函数”?!那你马上就会被“没收博士学位书”!
你感到北大理学院(南楼)去重申你的论点么?

不过北大理学院的北楼肯定不会对你言论感到大惊小怪!

在热统界都不愿意相信“温度是高度的函数”的论调。但浙江大学的盛正卯很赏识“温度是高度的函数”这个论调。版主youngler[胡杨斌]是这个论调的领袖人物!奢望你们俩有机会沟通一下

不管是上高下低,还是上低下高,本质上都属于非均温派!都是挑战派!都是革命派!
奢望沈博士能将这个问题搞个水落石出!

你若去北师大理学院声称力场必将干涉温度分布,必然有人与你较劲:你若能给出严格的证明?保证你获得诺奖!

确实,学术界虽然各执一词,但尚无文献给出严格证明!你若能给出严格证明,必将获诺奖!!!这并不是我说的!这是北师大理学院的老师与我较劲的!沈博士,你看着办!
 [97楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/01 14:48 

我觉得[92楼]的方法不是最佳的。理由如下:

为研究静置多时的气体,静力平衡条件dp+mgρdz=0,是对的。状态方程p=ρRT,也是可用的。但是对于绝热方程(3/2)RlnT-Rlnρ=C,我认为不好。

实际上,绝热方程(3/2)RlnT-Rlnρ=C,是能量守恒TdS=du+pdV与状态方程p=ρRT联立的产物(这儿,dV为体积变化量,du为内能变化量,dS为熵变化量)。只要令所谓的“绝热”,TdS=0,熵不产生,就可以从这两个式子得到绝热方程(3/2)RlnT-Rlnρ=C。 但是我们从能量守恒TdS=du+pdV可以看出,虽然整个体系它是绝热的,但由于T, p,ρ都是高度z的函数,因而TdS=du+pdV中的dS也是高度的函数,也就是对于高度上的每一点的“气体元”而言,其实并不满足“绝热”条件,“气体元”与临近“气体元”之间是有热量交换的。因此,每一点上的TdS不等于零,每一点上的du+pdV也不等于零。因此,(3/2)RlnT-Rlnρ=C并不完整。因此541218的方法不对。正确的方法应该是:利用TdS=du+pdV来代替他的(3/2)RlnT-Rlnρ=C,且还要再加一个约束条件,即TdS对高度的积分为零(也就是说,整个体系是真正绝热的)。

541218的方法只是一个很近似的做法,需要一个前提条件,即假设“气体元”与临近“气体元”之间的热量交换比较缓慢,即假设:比起气体元内部变化而言,“气体元”与临近“气体元”之间可以近似看作‘绝热’。 实际气体可能的确会近似达到‘ “气体元”与临近“气体元”之间的热量交换非常缓慢’的条件,譬如大气科学问题。但是如果不谈这个近似(假设)问题,从一般意义上讲,那么541218的方法是不对的,应该用我上面建议的方法:能量守恒+静力平衡+物态方程。
JIAN QI SHEN, ZJU 2010-8-1





 [98楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/01 15:09 

对【93楼】说:

我完全不同意你所说的“......气团(属于宏观系统)在漫游过程(类似于布朗运动)一直保持绝热可逆地进行。漫游到哪里都与那里的压力与温度保持一致,所以并不存在热传导”。

气团, 可以理解为:因为物理量都是高度z的函数所以造成了用z来衡量的气团。不过没有先验的理由可以认为每一个气团的TdS=du+pdV中的TdS都是严格为零(即使静置多时。你既然有了“气团漫游”的过程,那么就不能先验假定S与高度无关)。我认为更为真实的过程应该是:气团(属于宏观系统)在漫游过程中一直保持着热交换,A气团把热量交换出去给B气团,必然有C气团再来把热量交还给A气团......,我认为这样更为一般更为客观。我这样考虑,我的方程比起541218的3/2RlnT-Rlnρ=C来,会多一项。即使如果这多出的一项最后被证明是零,那么我的方法也比541218的来得客观可靠。

[楼主]  [99楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 15:58 

沈博士依然在不知觉地运用傅氏热流定律!所以在担心各局域的温度差异所引发的热传递;因为现在 热流定律与粒子扩散定律都不能露面(思考与分析过程不能考虑到热流定律与粒子扩散定律)!只知道热力学体系必然服从平衡态原理(无熵产);接着运用 变分法 导出 比熵平衡条件。这时候对热力学理论体系还不知道更多!就像初中生刚学习化学这门功课,第一节提到什么叫化学变化?你不能向学生阐述:就是物质的分子没有发生变化,只是分子间的距离和聚集方式发生了变化。因为这时候,学生还不知道更多的化学概念!所以不许用分子这个概念来阐释!类似地,在热力学刚开始,只知道 平衡态原理(无熵产),当然早就知道 物态方程、静力平衡条件。只有澄清了热流的驱动力总共有哪些种类(是否除了温度场梯度还包括势场梯度)才能确定热流定律!现在尚不知道只有温度梯度是不是一定会导致热流产生?所以现在尚无理由分析是否有热流伴随?现在只敢断言气体处于死寂态肯定 无熵产!也就是说死寂态体系的总熵肯定与时间无关。所以 比熵平衡条件 当仁不让!这个所谓的 死寂态热力学方程组 是从 非平衡过程的 衡算方程组 演化过来的。

人们对 平衡态原理(无熵产)即 有限的热力学体系必死原理 毫无顾忌,毋庸置疑,没有任何人试图挑战平衡态原理!而力场是否属于热流驱动力的问题,却并不那么明朗、清晰,所以不能作为公理(出发点)!

在选择公理(出发点)的时候应比较一下,看哪一个说法明显无争议!从中筛选出一个来作为公理,在热流定律、粒子扩散定律与平衡态原理(必死原理)种筛选一个!能量守恒定律是指存在热流和粒子流的过程才讨论此过程必须保证能量守恒,而在死寂态那就要关注 比熵、比能 谁最有可能均匀分布(平衡)的问题。与时间无关称之为守恒量,与坐标(高度)无关的 物理比量 则称之为平衡量。比熵 与 比能 在死寂态都属于与时间无关的守恒量,但它们之中最多只能有一个与高度无关的平衡量!现在就带着这个指导思想来分析比较一下究竟比熵 与 比能 哪一个最有可能属于与坐标无关的平衡量?
 [100楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/01 17:00 

"死寂态体系的总熵肯定与时间无关",但你不能保证每一个气体元的熵与高度无关的。这就是问题症结所在。只要熵(确切地说,是熵密度)与高度有关,那么就应该用TdS=du+pdV来代替你的(3/2)RlnT-Rlnρ=C(还要再加一个约束条件,即TdS对高度的积分为零(也就是说,整个体系是真正绝热的))。如果熵密度与高度无关,那么你的(3/2)RlnT-Rlnρ=C是对的,但是你首先必须证明“熵密度与高度无关”,但你没有证明,你只是使用了"死寂态体系的总熵肯定与时间无关",这只是一个整个体系的行为,这个行为我也要使用到(即整个体系是真正绝热的),但你还是没有证明出“熵密度与高度无关”。你只是先验地强制了一个条件而已。这不科学。
 [101楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/01 17:12 

TO [96楼]:
这个问题只是一个教学和应用物理问题,谈不上是一个基本科研问题,不要跟科研有关的任何词(什么诺奖,什么革命派)搭上关系。一个知识问题罢了。这就像问“3乘以0.3333333无限循环”等不等于1的问题,工程人士认为不等,但数学家说等,因为0.3333333无限循环就是1/3。各方意见不同,是学术争论吗?不是。
[楼主]  [102楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 17:19 

只要敢认定死寂态体系的总熵与时间无关,那就无熵产(一阶微商等于零),再运用 变分法 即可导出 熵平衡条件 ;这是一种思路;还一种思路:就是在无法抉择 比能平衡 与比熵平衡的时候可以采用淘汰(排除)法,因为无论是比能平衡 还是 比熵平衡,都必然导致体系温度与其参考高度有关!那就好了!这时再结合热力学理论中的四种热力学函数的适用条件,分为: 等容、等压、等温、等熵 这四种情况;在重力线上,显然不等容也不等压;现在就只剩下 等温与等熵这两种情况;二者必居其一!你自己看着办!究竟应该选择谁?
[楼主]  [103楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 17:33 

这仅仅是你的淡然态度!!!只要你敢将这个结论刊登出去,你必将获得诺奖!!!这是北师大理学院老师与我较劲的!或者你根本就无能为力将这个结论刊登出去!热统界肯定会拒绝(否认)你的这个结论!
有一个叫章曦的留美博士,在美国求学期间度春假(美国学校初春放假),上网意外发现国内江苏的中学教师在英特网上发布引力与温度分布的讨论,使他颇为震惊:他说这很有可能存在着内在联系尽管会很微弱。他说这毫不逊色于当年爱因斯坦在专利局的研究工作!因为当时,我们回答不了他的苛刻诘难;他动摇了、放弃了…………这个话题的理论意义大的不得了!!!
怪不得你敢轻率表态的。

 [104楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/01 18:15 


以上我的帖子是在承认[92楼]主要思路方法的基础上而写的,只不过我认为[92楼]思路不是完善的,应该以TdS=du+pdV来代替他的(3/2)RlnT-Rlnρ=C,才完善。

现在,我否定[92楼]主要思路方法。为什么要否定呢?因为我们一直在争论的是这么一个问题:单一气体(最好也是单原子气体)在引力场中长时间静置的条件下,求解其p, T, ρ三个物理量的分布函数(是高度z的函数)。虽然分子总是在运动,但其实我们的问题不是统计力学问题,而是一个纯粹的静态的热力学问题,p, T, ρ三个物理量都是指静态的热力学物理量,不是动态的统计物理量,也不是要去考虑静态的统计物理量。因此,在这个意义上讲,在这个问题中,不存在任何与过程有关的方程。所谓的“气团绝热膨胀”以及“绝热方程”都是不应该在这里出现的(对于大气科学这样的教材中,它研究动态的过程,动态是主角,那么可用这些与动态有关的方程,但在这里,不可用)。因此541218的(3/2)RlnT-Rlnρ=C不应该出现,我的与此对应的方程TdS=du+pdV也同样不必出现了。

结论:为研究静置多时的气体(p, T, ρ之静力学分布,静力平衡条件dp+mgρdz=0是要的,状态方程p=ρRT,也是要的。我在过去先验地假定了整个气体有一个共同的温度,所以有了这两个方程,就可以把另外两个量p, ρ也就可以求出来了。这是“北大理学院(南楼)”以及我(还包括一些大学一年级物理教材)里的做法(即我们相信或者假设了“整个气体有一个共同的温度”,或者说“温度梯度比较小”,因此就这样简化处理了)。

但对于一个完整的问题的解答,客观的做法是:我们不应该先验地假定整个气体有一个共同的温度,应该相信气体温度T是高度z的函数,这样,仅有dp+mgρdz=0和p=ρRT是不够的。我们还需要第三个条件。但这个条件绝对不是任何与动态有关的方程,所谓“气团”和“气团绝热膨胀”等动态概念都不应该在这个问题(永久静置气体)的解答中出现。这就是我否决92楼方法的原因。92楼方法是自我矛盾的,他541218一方面宣称在研究长久静置气体(因此他相信分布结果与任何过程无关),另一方面他又在解答中塞入什么绝热方程。既然541218相信分布结果与任何过程无关,那么是不是绝热过程,就无所谓了,为什么还是需要引入绝热呢?既然是在研究长久静置气体,不应该有什么“气团”和“气团绝热膨胀”等概念。总之,[92楼]思路有问题。

但,我们的确还需要第三个条件,这第三个条件可以用两种取法:第一种是能量方法,利用以上两个公式dp+mgρdz=0和p=ρRT,得到内能密度u(z)函数,对u(z)进行z的积分,得到总热能,再对势能mgρz积分。总热能和总势能之和,就是总能量,对它进行变分,得到一个方程,此为本解答的第三个方程(因为总能量守恒,它只是一个Lagrange乘子项,因此其变分为零,于是产生了这么一个方程)。
第三个条件的第二种做法与541218有点类似(也是熵平衡法),但细节不同。在我这里,先利用以上两个公式dp+mgρdz=0和p=ρRT,得到熵密度S(z), 对S(z)进行z的积分,得到整个体系的熵Ж,对它进行变分,得到一个方程。

我相信,以上两种方法应该是等价的。注意:虽然我这里也用了熵平衡法,但我不是局域的熵平衡法,而是整体的熵平衡法,因此我这里得到的第三个方程肯定与541218的(3/2)RlnT-Rlnρ=C是不同的。541218的(3/2)RlnT-Rlnρ=C,只是局域(对某个气团)用了熵平衡法而已。这是不对的。虽然整个气体的熵会极大,但不等于说,每个点上的局部比熵也是极大。只有整体的熵平衡条件才可以使用。对点上的局部比熵进行变分,就好比是对点上的局部能量进行变分一样,是没有意义的,因为这是一个整体平衡问题,而不仅仅是局部平衡问题,必须把整体平衡考虑进去,而对整个体系的熵Ж进行变分,这是引入整体平衡的唯一机会,而dp+mgρdz=0和p=ρRT只是体现局部平衡而已。
JIAN QI SHEN, ZJU 2010-8-1

 [105楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/01 18:23 

“在重力线上,显然不等容也不等压;现在就只剩下 等温与等熵这两种情况;二者必居其一!你自己看着办!究竟应该选择谁?”

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SHEN RE: 正如先验地假设等温是不妥当的,先验地假设等熵也是不妥当的。对于一个完整的问题解答,客观的做法是:等容、等压、等温、等熵 ,统统不要做先验地假设,这些量都要去求解了之后才可以回答。因此你的思维,在逻辑上是不自洽的。你不容许做等温的假设,为什么可以容许做等熵的先验假定??不是五十步笑一百步吗?
 [106楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/01 18:25 

“只要敢认定死寂态体系的总熵与时间无关,那就无熵产(一阶微商等于零),再运用 变分法 即可导出 熵平衡条件 ;这是一种思路”
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SHEN RE: 关键就是要看你如何使用“无熵产(一阶微商等于零),再运用 变分法”了。你是用局部熵,还是整体熵,做变分?详见我的 [104楼]。
[楼主]  [107楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 19:29 

热力学体系决不能逃脱最大熵原理!必须接受最大熵原理的审查!必然是在最大熵原理(无熵产)的监控下各就各位!所以依据 平衡态原理(体系的熵不再变化即无熵变)运用《数学物理方法》中介绍的 变分法 即可轻松导出 熵平衡条件 其实就是 绝热方程。

当然是将各局域的熵累加起来得到体系的总熵(注意约束条件),然后再对其密度求一阶微商,即得欧勒微分方程 ,再求解 之,得一函数,原来就是绝热方程。

 

 

[楼主]  [108楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 19:34 

[但,我们的确还需要第三个条件,正如先验地假设等温是不妥当的;统统不要做先验地假设,这些量都要去求解了之后才可以回答。]


[第三个条件的第二种做法与541218有点类似(也是熵平衡法),但细节不同。在我这里,先利用以上两个公式dp+mgρdz=0和p=ρRT,得到熵密度S(z), 对S(z)进行z的积分,得到整个体系的熵Ж,对它进行变分,得到一个方程。]


老朽慨叹:后生可畏!沈博士,中华民族有希望了!
你在勇敢地 翻案! 卷土重来! 翻案重审!杜绝预留生,一律参加全国统一高考,进入常规的录取程序!杜绝预留生特权!很好! 老朽欣赏你!沈博士!

任何主观武断先验地假设,人为规定,都是霸道,都是强权政治,都是强盗的逻辑!都是学术的反动派!剥夺了学术的平等与民主!公平、公开 一律进入常规的逻辑程序。

[楼主]  [109楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 19:55 

注意约束条件运用拉格朗日乘子法接着建立欧勒方程。

摘 要:当热力学体系达到平衡态时,具有“无耗散”或“无熵产”的特点。本文就依据这一“平衡态原理”且运用“变分法”进行“泛函分析”;导出“欧勒方程”的解──“比熵平衡规律”,并由此提出了“即使在外场中处于不均匀的无‘熵产’状态,即最大熵状态时,体系仍然保持着均匀的‘比熵’分布”这个疑问。同时,还勇敢地在 “热统”领域引进了“间接变分法”,从而增强了对“熵”的探讨能力;最后还作了一些展望。
[楼主]  [110楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 19:57 

引言
若有一绝热封闭的刚性壁容器,内盛有一摩尔单原子理想气体,在桌面上静置了一百年。试问该容器内不同高度上的气体密度、压力、温度这三个热力学参量沿着高度的分布情况究竟是怎样的?依据经验,假如容器没有处在重力场中, 则容器内气体将有▽ρ=0, ▽p=0, ▽T=0,这是显而易见的; 客观上容器处于重力场中,人们认为容器内气体密度、压力的分布肯定是不同的,且密度和压力是依高度递减的,但仍然以为▽T=0,即重力场中的绝热体系内达终极状态各点温度仍应处处相等[1]。密度、压力的分布依高度递减是显然的,而温度不依高度变化是缺乏严格证明的,为了科学地对待这个客观的问题, 笔者试图运用“变分法”对这绝热封闭的一摩尔单原子理想气体进行精辟而严谨的讨论,从而确定温度与密度是否存在着依赖关系,如各点的摩尔熵(或简称“比熵”)是否等于同一个常数?其余问题都会迎刃而解,这就也是本文的写作目的。
[楼主]  [111楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 19:59 

其实上面的问题可以归结为,当体系的“熵产生率”等于零时,在重力场中达到热力学死寂态的热力学体系,各点介质的‘比熵’(即某小局域的熵与该小局域所含粒子数的比值)将保持什么样的关系问题。下面就以理想气体为例,运用 “间接变分法”中的“欧勒方程”[2]导出:在重力场中死寂的热力学体系仍然保持着各点“比熵”相等的结论。
[楼主]  [112楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 19:59 

为了简便,首先考虑静置于匀强力场中的绝热刚性壁柱形封闭容器所盛的一摩尔理想气体系统,其中封闭容器内的粒子数为 ,那么

式中 为柱形容器的底面积。 为柱高方向的变量; 为气体数密度函数; 为容器的顶部高度。在这里体系所拥有的内能(对于理想气体系统)即热能是否一直为定值呢?答案是否定的!因为体系在自发地趋近于无“熵产”的过程中,不免因其密度的变化而改变体系质心的高度,即改变了体系在外场中的势能,还由于粘滞性耗散(生热);故体系的热能并不是守恒的常数;但这并不妨碍“有限‘源’体系”归宿于死寂的状态,因为体系的势能不可能无休止地改变下去;再加上粘滞性耗散,体系总是要死寂的(即必将终止一切形式的宏观运动),即该体系必将达到无“熵产”的死寂状态。因此处在外场中的绝热(刚性壁)封闭的久置着的热力学简单体系也能达到死寂的状态。这里 点的“比熵 ”表达式为 [3],所以该体系所拥有的总熵 为



其中, 为气体普适常数, 为体系的摩尔数。
[楼主]  [113楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 20:00 

利用密度在位形空间的分布函数 的泛函 之极值点(含拐点,因为并没有对欧勒方程考察其二阶导数如何)来确定“极(值)点(含拐点)”的密度分布规律,也就是寻求由“欧勒方程”所蕴涵的未知函数 与自变量参考高度 的依赖关系。我们应先明确泛函 就是体系的总熵。所谓泛函达到极值点(含拐点),就是体系的总熵 随着粒子密度分布的“自然调整”达到了极点值(含拐点值);故必须以“无熵产状态”作为“变分问题”的物理基础。同时还应明确体系的总熵 是由遍及整个体系所占“区域”(在本文为三维欧氏几何空间)的定积分来确定。这就需要明确“比熵”的表达式。而理想气体的“比熵”表达式为 ,这样,若要计算体系的总熵——密度分布函数的泛函,就可由 式确定了,其中 式则为“变分问题”的约束条件。
随着体系密度分布函数 的“自然调整”——自发地趋向“死寂”态,体系的(总)熵(即密度的泛函 )也将随之而变;当该体系的总熵在特定的情境下取得极点值(含拐点值)时;即需注意 式的约束条件,该变分问题有:

这就是简单情形时的“欧勒方程”一般表达式。其中 由“拉格朗日乘子法” [4]确定。这里 为待定“乘子”(常数), 为封闭容器内的摩尔数——附加约束条件。
或曰因体系在特定的约束条件下达到了“无熵产” 的状态(若离开特定的约束条件,谈论体系总熵的变化趋势是毫无意义的;即若不封闭体系,则无法判断体系的总熵将何去何从):

注意到复合微分关系 (此时视 为中间变量);而且即使在定熵过程也往往保持 ;故有

亦即

就是本课题将要利用的“殴勒方程”的具体表达式。
值得指出的是,这里的恒等变形 仅仅是为了用无熵产状态涵盖最大熵状态,以保证由此所得到的结论也适用于力场中的无熵产状态,但力场中的无熵产状态并不局限于最大熵状态。因为只关心绝热封闭的理想气体系统达到无熵产状态即“死寂态”时的温度与密度之间的依赖关系;本文并不关心也无法知道更完全没有必要知道:当绝热封闭的理想系统达到死寂状态时体系的总熵究竟是否会达到极大值;只知道其必然达到无熵产的状态,这已完全满足了变分法的要求。
[楼主]  [114楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 20:01 

由 式可得:

其中 。若假设温度 与密度 无关,即 ,同样可以得到如同 式的“解”,但是从 式又可得到 的结果;这样,“题设”与其“推论”是不相容的。因此假设 是数理逻辑所不允许的!故知必有 ;其物理意义是随着密度 分布的变化必然导致其温度 的分布随之而变,这个问题将另文讨论。
这第 式属于非线性微分方程,目前,数学界还没有找到关于非线性(偏)微分方程(组)的通行解法。笔者建议,不妨进行变量替换,企图将其转化为线性微分方程。若令 , ;则第 式变为

这是一阶线性常系数非齐次微分方程;其中 。它有两个特解:

其中特解 即那个“指数”形式的特解显然不合题意!故只剩下特解 ;显然这特解 正符合物理事实的要求;当然若用这两个特解来叠加出所谓的通解也不合题意!由于物理事实的唯一性,不允许有第二个特解合乎题意,也至少有一个特解正好合乎题意的要求。由特解 (恢复原来的变量)可立即获得其“‘隐式’解”的形式为

这第 式具体给出了在 “无熵产”体系中温度对密度的依赖关系;理论和实践都表明:在外场中,体系的“死寂”态密度 的分布显然不为常数,即有 ,亦即 ;故 式为外场中理想气体系统的死寂态所能接受的唯一“特解”。这里的逻辑关键就是 这个关系式。
(6)式的左边为 体系中粒子的“比熵”的参量表达式。 式表明处在 “无熵产”状态时的体系中各点的“比熵” 等于同一常数

式表示比熵梯度等于零,可称谓“均熵方程”;
 [115楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/01 21:03 

"当然是将各局域的熵累加起来得到体系的总熵(注意约束条件),然后再对其密度求一阶微商,即得欧勒微分方程 ,再求解 之,得一函数,原来就是绝热方程。"
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shen re: 我根本就不相信(3/2)RlnT-Rlnρ=C就是上面的产物。这么简单的(3/2)RlnT-Rlnρ=C明明就是局域熵平衡的产物。如果将各局域的熵累加起来得到体系的总熵(注意约束条件),然后再对其密度求一阶微商,那么将得到一个复杂的方程。
[楼主]  [116楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 22:36 

你可以亲自进行一下;我已经将思路贴出来了,只是公式粘不上来而已。以计算结果说话!你可以浏览一下我上面的帖子,你可以发觉我依据最大熵原理(无熵变)进行运用变分法的基本思路(思想原理)。没有耐心细致的计算(推导)结果,怎么可以胡乱猜测呢?我的话都是有依据的!我从不乱说话!没有价值没有争议的话题,我决不会虚张声势,妖言惑众!

我决不会像刘月泉等人研究一辈子天体运动方程连一篇二体运动方程的论文都看不懂!方程也无法求解,人家给出了方程也不知道是如何得到的!而我只耗费两天时间就研究个熟透!达到了该领域的峰巅!

沈博士,你我一路走来,已经只剩下最后一步了!就是依据平衡态原理(最大熵原理、无熵变、体系总熵的一阶微熵等于零)运用 变分法 获得欧勒(微分)方程。接着求解该微分方程,便得到一个解析函数:原来就是 绝热方程。在许多场合如汤玛斯费米原子电子云方程也是用这个方程(他们称之为泊松方程)。因为电子云的死寂态也必须满足最大熵原理。凡是随机事件的统计分布函数都服从最大熵原理,所以都使用了变分法。为什么分子的速率分布要服从麦克斯韦分布?为什么测量误差要服从正态分布…………等等都是依据最大熵原理运动变分法获得其分布函数的!气体死寂态的密度、温度究竟应该怎样分布着?当然必须服从最大熵原理,运用变分法就可以顺利获得其参量分布函数!电子云系统定态的几率分布也必须服从最大熵原理所以我也用变分法获得了电子云的几率分布函数与薛定谔方程的结果可以相媲美!当然此法更接近事实。
[楼主]  [117楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/01 22:49 

比熵平衡方程是变分法的运算结果,决不是那位神仙的未卜先知!凭空谁也猜不到各局域的比熵居然会相等!!后来才发现 比熵平衡规律乃自然界普遍规律,凡是随机事件都如此!信息熵也服从比熵平衡规律,例如,在生物界每一个细胞所蕴藏的遗传信息量都相等!在各种事物中都蕴藏着相似性的内涵这就是信息熵的相等所致,这就给类比奠定了理论基础!
总之 比熵平衡规律 并不是你喜欢不喜欢的事情,是一条客观而普遍的自然规律!
 [118楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/02 00:53 

为得到(3/2)RlnT-Rlnρ=C,不必使用变分,光利用du+pdV=0以及p=ρRT就可以得到,就是局域点气体元的绝热产物。du+pdV=0以及p=ρRT中的所有量都是局域量。

如果是全局的量,那将是非常复杂的,绝对不是如此简单的(3/2)RlnT-Rlnρ=C。任何学过热力学的人都很熟悉(3/2)RlnT-Rlnρ=C,我在高中自学热力学,在高中就对这个公式很熟悉。

你或许根本就没有对比熵就高度z的积分计算。你所谓的积分,可能只是虚晃一枪而已,实际所谓的变分仍旧是对局域的比熵进行变分,没有实现对整个体系的总熵进行变分。

现在的问题是,变分与积分是不是可以交换,即问:对局域的比熵进行变分后再就高度z的积分,和对比熵先就高度z的积分,再变分,这两种结果是不是相同?如果相同(即变分与积分可以交换),那么你的(3/2)RlnT-Rlnρ=C是对的,否则就有问题。关于变分与积分是不是可以交换,数学家是有看法的(认为有时不可以交换)。但物理学家总是认为可以交换。如果我们也姑且认为可以交换,那么我承认你的(3/2)RlnT-Rlnρ=C是对的。也就是说,(3/2)RlnT-Rlnρ=C,p=ρRT,dp+mgρdz=0三者可以完整地求解静置气体的所有物理量的分布。但是,(3/2)RlnT-Rlnρ=C的物理解释不必用气团绝热膨胀来解释。在这个问题中,不存在什么气团膨胀现象。

讨论到这一步,你我看来已经接近一致了。我不知道这个结果是你我讨论的产物,还是在讨论之前,你已经有了这三个式子??在讨论之前,我这边只有两个式子p=ρRT,dp+mgρdz=0(且认为T均匀)。如果在讨论之前,你已经有了这三个式子,那么这非常好,但你先前的解释是不对头的(什么“气团绝热方程”,什么“分子往上跑要克服势能,所以上层分子平均速度小”,我认为都是不必要的,即对永久静置气体,不需要这些动态概念)。我认为正是因为你的解释不对头,才导致你与那些大学老师之间造成沟通的困难,也造成我们之间一开始的纷争(因为你误导了对方,对方又认为你的解释有内部矛盾和不协调的地方)。

虽然这个问题(永久静置气体的物理量分布)最终解决了,我从这里也获得了进步。不过我认为这个问题本身谈不上具有多少创新价值和新的学术意义,它虽然让不少人奇怪,但毕竟是老学科的知识了。但是,这个公式是有应用价值的,也许可以对天体物理问题(如白矮星和中子星的结构)进行修正。在研究白矮星和中子星的结构问题上,引力与气体简并压保持平衡。但是,一般教材上只用了p=ρRT和dp+mgρdz=0,且认为T均匀。如果T不均匀,那么求解就会很复杂。不知道更高级的教材上是不是考虑到,(3/2)RlnT-Rlnρ=C?如果没有考虑到,那么可以研究一下,但或许修正还是比较小的。
 [119楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2010/08/02 01:07 

TO 116,117楼:

我觉得你这里是唱高调,没有必要到现在由你来上升到这么高的理论意义高度。对于平衡态,稳定态,很多物理量都处于极值,这为使用变分法设立了空间。这本身就是早已知道的事实。

你把(3/2)RlnT-Rlnρ=C,p=ρRT,dp+mgρdz=0三者放在一起,去发表,就可以了。大家很快就可以接受,不会再有沟通困难(只要你不再使用“气团冉冉升起”的说法)。
[楼主]  [120楼]  作者:541218  发表时间: 2010/08/02 11:05 

我当然希望我的话是多余的——是在唱高调;但愿大家不需要我饶舌;因为真是这样,我就不会感到孤独了!我就不会埋怨自己的出生太早了!

尊敬的沈博士;不,沈导师;你也太高看人了,你把别人估计得太高!你以为你能跟随我一直走到底没被淹死!你就以为谁都能?我从来不敢奢望,在有生之年能遇到你这样的高人!我以为我会在不被理解中含冤死去!我死后,连一个人也不知道我的尸体为什么不闭眼?就是因为我的心思没有被别人知晓!我死后,这种思路也就彻底消失了!
沈博士,看来,从今天起,我就不会再担忧,我会出现车祸而意外死去了!因为即使我意外死去了,这个思路也不会从人类消失…………至少还有年轻的沈博士呢! 沈博士,此时此刻 我激动的老泪纵横…………沈博士,我感激你的理解!苍天有眼,在有生之年居然遇到了知音! 沈博士,你是最好的博士!你是最棒的!我只奢望你要是在赵凯华那个位置上,多好噢!我哭了…………

这个思路,只有你我可以侃侃而谈!再也没有第三个人知晓了!
沈博士,我随时都有停止呼吸的可能!奢望年轻的沈博士能让我闭上眼睛安息!



我还奢想……能知道沈博士的电子信箱?我的电子信箱:h.l.zdy@163.com

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