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再次感谢黄国有副教授的中肯诘难!质疑、刺激引起再思索......再度陷入沉思、以致灵感频频迸发……感豁然开朗…… 现在已经对理想气体系统的压力梯度、密度梯度以及温度梯度的微观机制洞察得明如观火…… 分子的热运动动能梯度▽E等于各分子(相对气团质心的)加速度(g-a)乘以该分子量m,即有▽E=m(g-a);进而得知 温度梯度正比于当地的相对力场强度(g-a):μMg=(∑▽E)/n=β▽T ;n为其摩尔数。 此乃属颠扑不破的客观真理(即属客观存在着的内在联系)! 这里尤其值得提出强调的也是极易混淆的就是 什么叫分子热运动能的梯度▽E?什么叫热运动能?气体的质心加速度与分子微观运动的关系…… 气体系统整体(质心)的加速度等于各分子所遭受到的外力之矢量和再除以气体系统的总质量;所谓“外力”当然不包括分子之间的相互作用力如分子间的撞击力;但包括地球对分子的吸引力以及 器壁对分子的撞击力;当然如果我们只研究气体系统中的一部分如一层气体,那么该层气体所受到的地球吸引力以及邻层气体分子的撞击力(由邻层直接插入的分子等效于被邻层分子撞击反弹,直接逸出插入邻层的分子等效于遭到邻层的吸引力)都属于该层气体的“外力”。 这些外力决定了该层气体的质心是否具有加速度a。再用气体分子所受到的重力加速度g 减去气体质心的加速度a再乘以其分子量m即可得该分子的热运动能的梯度 ▽E=m(g-a);若“相对力场强度”不等于零,即若有:g-a≠0;则必然存在着温度梯度(当然同时还存在着 压力梯度、密度梯度);若a=0,则其温度梯度必然正比于力场强度g。尤其当g-a=0时,即气体系统质心也在作自由下落,则该气体系统必然不存在温度梯度,也不存在压力梯度,更不存在密度梯度。 那么如何判定 该气体系统各分子所遭受到的外力之矢量和等于零呢?那就取决于(在地面系看来)各分子的动量之和 是否 一直 等于零;所以对静止于地面的气体系统该气体的质心必然既无速度又无加速度,即有V=0以及a=0。这时该气体系统的分子热运动能梯度的表达式被简化为▽E=mg;依此便可推导出静止于地面的绝热封闭的理想气体系统的内部(器壁的一膜层除外)必然存在着正比于重力场强度g的温度梯度 以及 压力梯度 和密度梯度。 千万别再将这个热运动能的梯度误以为是气体整体质心的动能梯度,因为气体整体质心的动能梯度由其整体质心的加速度a决定;即气体整体质心的动能梯度的表达式为▽E=Ma。 而分子的热运动能为 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。 所以 气体整体质心的运动能则为E=(MC^2)/2。所谓分子的热运动能就是指分子相对其所在气团的质心的速度(u=v-C)所决定的运动能。 综上所述 依据 μMg=(∑▽E)/n= (▽∑E)/n =β▽T = -μV▽p (其中n为摩尔数)这个关联式,可以将分子的微观运动与其集体的宏观参量表现联系起来。譬如,依此可轻松理解为何自由下落状态的气球内部为何没有密度梯度 压力梯度以及温度梯度,也可以理解为何静止与地面的气球为何存在着压力梯度 温度梯度以及密度梯度,同时还能与预言:在惯性空间作加速度运动为何必然出现压力梯度、温度梯度以及密度梯度,尤其可以预言 角速度逐渐增加的气团内部的必然逐渐增加着径向的压力梯度、温度梯度以及密度梯度!当气团的自转角速度恒定不变时,其压力梯度、温度梯度,密度梯度必然亦随之恒定不变;这是一个可逆过程。 这里值得再次强调的是:分子之间的频繁碰撞属于气体系统的内力,不属于外力,所以不能影响分子热运动能的梯度。因为依据(∑▽E)/n =β▽T这个关系式,分子的热运动能的梯度的统计平均才体现为温度梯度,分子之间的相互撞击力属于内力,并不能改变这两个分子共同质心的运动状态,所以这两个相互撞击力大小相等方向相反 亦即两个相互撞击的分子各自因为遭受对方的撞击而引起的动能撞击梯度,必然也大小相等 方向相反,所以 这两个大小相等方向相反的动能撞击梯度在累加过程互相抵消了 只剩下 由各自重力所导致的方向一致的动能梯度 请注意:这个由各自重力所导致的方向一致的动能梯度绝不属于气体整体质心动能梯度!因为我们只讨论静止于地面的气体系统;而对于一直静止于地面的气体系统的质心相对于地面既无速度也无加速度,所以气体系统的质心并无动能梯度,亦即在气体系统内部飞舞着的气体分子虽然频繁地发生着相互撞击,但该气体系统各分子的动能梯度的累和却一直正比于力场强度,这个动能梯度累和属于热运动的动能梯度,如果属于系统的宏观动能梯度,那么该气体系统的质心应该具有加速度?那么该气体系统的就不属于静止于地面的系统。至于该气体系统的也有些分子遭受器壁的撞击并导致了很大的动能撞击梯度,那只是局限在紧贴器壁的一膜层,其厚度只有分子的平均直径之厚,当然在器壁的一膜层空间里必然存在着很大的动能梯度,及存在着很大的温度梯度,这是理所当然的 因为假设器壁是刚性壁没有内部结构是由中子态的致密物质构成,当然没有温度,你看要温度经过分子直径的距离就迅速上升为气体的温度,其温度梯度必然需要大得惊人!但这与引力无关!不过这仅仅局限于器壁的一膜层空间内!在相对广袤无垠的容器空腔内 即一旦离开了器壁,在气体系统内部(是“海洋”内部,而不是“岸边”)处处只剩余正比于力场强度的热运动能的梯度。因为在气体内部的分子不可能遭到器壁的撞击,只能相互撞击,这属于气体系统的内力,内力必然在累和过程相互抵消,所以只剩下方向一致的分子自身的重力(所导致的动能梯度),又因为 整个气体系统一直处于静止于地面,所以并无宏观运动能,所以分子的这些动能都属于热运动能 这些热运动能的梯度当然只能表现为温度梯度! 可见此关系式μMg=(∑▽E)/n= (▽∑E)/n =β▽T = -μV▽p 的意义多么重大。
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,因为谁都知道 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...... 但是 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,究竟 是否存在着温度梯度。
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...... |