等位面，等压面，重力环流及热力学第二定律

李维纲

在地球上，我们经常可以看到由于冷热不均导致水体对流的现象。为了说明这种现象形成的物理根源，我以往在给中学生授课时，常结合板书草图、引导学生进行下列理想实验——

一．  考虑有一盆水，原本冷热均匀、水面平坦（如图1所示）；这时，盆中水体只有分子无规则运动，没有宏观定向运动；

二．  想象有一个圆筒插入盆中，直抵盆底（如图2所示）；

三．  （如图3所示）想象给圆筒对应的盆底加热，那么，由于水体热胀冷缩，圆筒中的水位将明显上升；由于圆筒中水柱上升后，水柱的重量近似不变，圆筒对应盆底处的水压和加热前比较近似不变，但圆筒内水位面和圆筒外水位面已经明显不同；对吗？

四．  （如图4所示）想象将圆筒从适当高度截去，将有一些水从圆筒处流向外围，对吗？

五．  （如图5所示）想象在水从圆筒处流向外围（直至水面平坦)后，再测盆底处的水压，圆筒内外还相等吗？（引导学生回答：不相等了，圆筒内盆底水压低于圆筒外盆底水压。）

六．  想象将圆筒小幅（如图6所示）抬起，由于圆筒内盆底水压低于圆筒外盆底水压——在盆底就会有水体自圆筒外流向圆筒内。对吗？（引导学生回答：对！）。

七．  继续提问：在盆底就会有水体自圆筒外流向圆筒内之后，上方水面还平坦吗？（引导学生回答：不平坦了，圆筒上方水面高，水从圆筒处向外围流；盆底，圆筒处水压比周围低，水从周围向圆筒处流。只要圆筒处比周围热，冷热不均的情况持续存在，这种宏观环流就会持续存在）。

八．  圆筒，只是我们思想实验的辅助道具。请同学们思考，去掉圆筒，上述推理过程是否仍然成立？(练习：请同学讲一讲，稀饭锅里能看到的怎样的宏观运动现象？为什么有这样的现象？近地面大气层里，为什么有类似的“热力环流”现象？)
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从根本上说，宏观环流的出现，是因为：冷热不均可导致出现等（重力势）位面和流体内部等压面不一致的情况。

除了流体内部冷热不均导致密度不均，进而可以使“等压面”和“等（重力势）位面”不一致这种情况之外，是否还有其它情况，也可以造成两者不一致的情况呢？

例如，在假定地球重力等位面是严格球面形态的情况下，不考虑其它因素的影响，无论水圈的表面（零水压面）或内部其它等水压面都可以呈球面形态和重力等位面保持一致；大气圈亦可如此。

但是，当我们在上述地球的固体表面局部区域布设一团铅块、使该区域重力正异常，地球重力等位面明显偏离球面的情况下，该重力异常区域的重力位势梯度和周围地区比较，也有明显差异——即，两个等位面在该区域的几何间距和在周围地区的几何间距是不相等的；从而，考虑到液态水近似具有“不可压缩性”，假定上述两个等位面间被液态水占据，满足液态水的两个等压面恰好和上述两个等位面一致，那么，由于在重力正异常区上方的空气密度高于周围地区，上述两个等位面间换做被大气占据，则必定不能满足大气等压面也恰好和上述两个等位面一致、从而不产生“重力环流”的要求。如果上述两个等位面间被密度不均之大气占据时，恰好两个等气压面和两个等位面一致，则，换做密度均匀的液态水占据上述两个等位面间空间，两个等水压面和两个等位面定不一致。

结论：由于重力正异常（或负异常）造成两个等位面间距和周围有差异，且异常区上空的空气密度和周围地区有差异（但液态水的密度在异常区和周围地区无明显差异），两个重力等位面不可能既与液态水等压面一致，又与大气等压面一致。从而，重力异常必定导致出现“重力环流”。要么是大气的“重力环流”，要么是液态水的“重力环流”，二者必有其一；也可兼而有之。因此，自然界原本就存在着“第二类永动机”！！热力学第二定律并不是没有漏洞的。