從熱力學(xué)第二定律看綠色發(fā)展

李 強(qiáng) 盧笑笑

(淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000)

1 熵增原理的建立

1824年，卡諾定理的提出以及卡諾對(duì)所有熱機(jī)效率的證實(shí){n=(T1-T2)/T1(T1：高溫?zé)嵩唇^對(duì)溫度，T2：低溫?zé)嵩唇^對(duì)溫度)}為熱力學(xué)第二定律的建立奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。1850年，克勞修斯(Clausius)在文章中指出了卡諾熱機(jī)中熱傳遞單方向的正確性，但也否定熱沒有轉(zhuǎn)換這一理論并將其表述為：熱不可能從低溫物體傳遞到高溫物體而不引起其他變化。1851年，開爾文(W. Kelvin)在克勞修斯表述的基礎(chǔ)上將熱力學(xué)第二定律進(jìn)一步定義為：不可能從單一熱源吸收熱量使其完全轉(zhuǎn)化為有用功而不產(chǎn)生其他變化，開爾文隨后指出了熱力學(xué)第二定律的本質(zhì)特征是在整個(gè)大自然中，熱具有不可逆性的具體結(jié)果，指明了實(shí)際自然發(fā)展的進(jìn)程方向。

克勞修斯通過對(duì)卡諾循環(huán)理論的應(yīng)用，推導(dǎo)出在熱力學(xué)中，任意循環(huán)的并且可逆的熱溫熵之和恒為零，由此，熵這一概念開始被廣泛認(rèn)知。克勞修斯指出，系統(tǒng)的熵的增量dS與其吸收的熱量 dQ和系統(tǒng)溫度之間存在下列關(guān)系：

熵函數(shù)是狀態(tài)函數(shù)，只跟始末的狀態(tài)有關(guān)，與途徑等無關(guān)。克勞修斯通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不可逆的過程，熵變并不為零，由此推斷出，在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中，是絕對(duì)不可能發(fā)生熵變小于零的過程，并用數(shù)學(xué)的具體形式將其表達(dá)出來，即克勞修斯不等式[1]。

熵判據(jù)來源于上述不等式在孤立系統(tǒng)中的應(yīng)用。如果一個(gè)與外界既沒有能量交換也沒有物質(zhì)交換的孤立系統(tǒng)，從克勞修斯不等式中可知，由于孤立系統(tǒng)與外界沒有熱量交換，δQ為零，所以，可逆過程熵不變，而不可逆過程熵增加，熵減少的過程是絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)的，這就是熱力學(xué)中著名的熵增加原理[2]。可以表述為：一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵永不減少，如果過程是可逆的，則熵的數(shù)值不變；如果過程不可逆，則熵的數(shù)值增加。自然界中任何自發(fā)過程都是不可逆過程，因此一個(gè)孤立系統(tǒng)的自發(fā)過程只有沿著熵增大的方向才是實(shí)際可能產(chǎn)生的。克勞修斯將熵增加原理應(yīng)用到整個(gè)宇宙中，把宇宙當(dāng)作一個(gè)孤立系統(tǒng)，根據(jù)熵增原理，整個(gè)宇宙的熵會(huì)不斷增加，當(dāng)熵達(dá)到最大值時(shí)，整個(gè)宇宙處于熱力學(xué)平衡態(tài)，宇宙中溫度梯度消失，壓力變得均勻，所有的能量轉(zhuǎn)化都停止，此時(shí)的宇宙處于一種熱寂的狀態(tài)，稱為宇宙“熱寂論”。

后來奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼從從統(tǒng)計(jì)物理出發(fā)，將熵的定義與統(tǒng)計(jì)物理聯(lián)系起來，給出了熵的統(tǒng)計(jì)定義，對(duì)于滿足玻爾茲曼分布的粒子，即粒子是可以分辨的，每個(gè)狀態(tài)上所能容納的粒子數(shù)不受限制，此時(shí)熵的表達(dá)式為：S=KlnΩ

其中K為玻爾茲曼常量，數(shù)值為1.38×10-23J/K，Ω為玻爾茲曼分布微觀狀態(tài)數(shù)，由熵的統(tǒng)計(jì)定義式可以看出，系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)越多，熵值越大。

2 耗散結(jié)構(gòu)理論

1969年，普利高津在平衡態(tài)熱力學(xué)基礎(chǔ)上，將開放系統(tǒng)的概念引入熱力學(xué)第二定律，為耗散結(jié)構(gòu)的建立創(chuàng)造了良好的開端。在之前的熱力學(xué)認(rèn)知中，一般認(rèn)為穩(wěn)定有序的結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生在原本就混亂無序的非平衡研究系統(tǒng)中，但隨著科學(xué)的發(fā)展，這種絕對(duì)的劃分被發(fā)現(xiàn)了其錯(cuò)誤之處，普利高津等人在大量的研究推論后指出，無論是有序還是無序，都是緊密相連的。提出在一個(gè)開放系統(tǒng)中，當(dāng)外界條件改變并且超過了特定閥值后，這一量變就有可能導(dǎo)致質(zhì)變的發(fā)生，此時(shí)，各子系統(tǒng)會(huì)呈現(xiàn)一種相互協(xié)作的關(guān)系，從而使無序變得有序成為可能。普利高津?qū)⑦@種在非平衡狀態(tài)的先決條件中存在的有序結(jié)構(gòu)稱作耗散結(jié)構(gòu)[3]。

人類社會(huì)是基于能量交換而存在的非封閉系統(tǒng)，同外部的物質(zhì)、能量的交換使其發(fā)展成能夠保持在一個(gè)長久可控的狀態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)理論首次將熵增理論拓展到近平衡態(tài)狀態(tài)下的最小熵產(chǎn)生原理[4]，這是由熵增理論擴(kuò)展而來，這一理論的提出極大地豐富了人類自然與科學(xué)之間的統(tǒng)一關(guān)系，為后來的科學(xué)家提供了新的思考和研究途徑，從而進(jìn)一步強(qiáng)大了認(rèn)識(shí)世界的動(dòng)力。立足于耗散結(jié)構(gòu)，將負(fù)熵流源源不斷地引入以平衡不斷增長的正熵，從而構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定綠色的生態(tài)環(huán)境，使系統(tǒng)由無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)。當(dāng)系統(tǒng)從外部導(dǎo)入的熵為負(fù)值且小于系統(tǒng)自身因發(fā)展而產(chǎn)生的熵值變化量時(shí)，因?yàn)橥獠凯h(huán)境有負(fù)熵流的涌入，這樣就能消除了熵增，同時(shí)，出現(xiàn)了多余的負(fù)熵，這樣就會(huì)自然而然的會(huì)使系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)不斷增長有序的趨勢(shì)。

3 資源型地區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀

資源型地區(qū)不可避免存有開發(fā)過度、充分使用有限資源的問題。在不斷發(fā)展過程中，熵定律的作用被忽視，沒有認(rèn)識(shí)到礦物資源消耗轉(zhuǎn)化過程中的熵增現(xiàn)象，從而將環(huán)境系統(tǒng)推向負(fù)方向發(fā)展[5]。

隨著資源型地區(qū)的加速發(fā)展，社會(huì)、環(huán)境等方面的問題愈演愈烈。由于煤礦長期、過度、無序的開采，使生態(tài)環(huán)境受到很大的破壞，森林覆蓋率銳減，水資源嚴(yán)重流失，地質(zhì)嚴(yán)重塌陷。此外，生態(tài)環(huán)境的破壞也危及到人和動(dòng)植物的棲息地和生存。例如，氣候變暖威脅到海龜?shù)暮蟠驗(yàn)槌矞貒?yán)重影響到性別的確定：最冷的位置產(chǎn)出雄性后代，而較溫暖的位置產(chǎn)出雌性后代。

隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，“綠色發(fā)展”[6]思想觀念開始成為各界關(guān)注和研究的重點(diǎn)，我國相關(guān)部門也建立了綠色社會(huì)的體系，對(duì)多個(gè)城市進(jìn)行了實(shí)證研究：在《基于熵理論和耗散理論的資源型地區(qū)綠色發(fā)展評(píng)價(jià)研究》[7]中周女士通過對(duì)數(shù)10個(gè)資源型省份出現(xiàn)的產(chǎn)能過剩和生態(tài)的嚴(yán)重破壞等一系列問題的研究，揭示了多數(shù)資源型地區(qū)環(huán)境保護(hù)意識(shí)弱、有限性資源耗損過高、美麗的生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞的情況。

在發(fā)展過程中，資源型地區(qū)隨時(shí)都與外界保持著信息的交流和能量的交換。從外部環(huán)境得到有效的負(fù)熵流[8]是滿足,綠色發(fā)展的美好趨勢(shì)的有效途徑。為保證具有自身的正常性工作，每一個(gè)社會(huì)系統(tǒng)需同外界進(jìn)行物質(zhì)交流，在其發(fā)展過程中就會(huì)伴隨著自然資源的不斷消耗，因此，需處理好社會(huì)與自然之間的關(guān)系。

當(dāng)系統(tǒng)中突然出現(xiàn)了一些無法避免的熵增時(shí)，在保證存在外部條件相互交換的條件下，外部系統(tǒng)需吸收內(nèi)部有效能來使系統(tǒng)負(fù)熵提高，使社會(huì)從無序走向有序。資源型地區(qū)在經(jīng)濟(jì)增長的過程中不斷同外部環(huán)境進(jìn)行交換，隨著正熵的有序提高，這種相互作用促使系統(tǒng)中政治、經(jīng)濟(jì)、文化、環(huán)境等方面出現(xiàn)漲落現(xiàn)象，使系統(tǒng)的有序發(fā)展被改變，趨于無序變化[7]。

4 熱力學(xué)第二定律對(duì)環(huán)境發(fā)展的啟示

自綠色發(fā)展概念提出后，人們開始以各種理論和模型去描述能源的利用。通過上述對(duì)耗散結(jié)構(gòu)定理的解析和深究，能夠建設(shè)出模型來模擬判斷社會(huì)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)形式。當(dāng)負(fù)熵流遠(yuǎn)大于熵增增量時(shí)，社會(huì)系統(tǒng)就形成了耗散結(jié)構(gòu)，通過考慮熵增和負(fù)熵流兩方面因素來加強(qiáng)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)管控，使其向安全態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)化[9]。社會(huì)系統(tǒng)態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵在于不斷加大負(fù)熵值，并盡可能減小系統(tǒng)正常運(yùn)行所產(chǎn)生的熵增。熱力學(xué)第一定律指示了能量是守恒的，社會(huì)系統(tǒng)在進(jìn)行以新型產(chǎn)業(yè)推動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展,以可持續(xù)發(fā)展為根本經(jīng)濟(jì)理論時(shí)，必須達(dá)到“減量化、再利用、資源化”的要求，即“3R”原則[10]。就本身的獨(dú)特物質(zhì)而討論，其重復(fù)使用和再次的利用，我們都是構(gòu)建在吸取社會(huì)環(huán)境中的獨(dú)特有用功上，社會(huì)系統(tǒng)本身是一個(gè)開放系統(tǒng)，其自身的負(fù)熵流產(chǎn)生原因是將其高熵物質(zhì)排入到自然生態(tài)系統(tǒng)中，像這種不可逆過程一定會(huì)使生態(tài)環(huán)境遭到損耗。

系統(tǒng)想達(dá)到生存和發(fā)展就必須在生產(chǎn)過程中注入能量，產(chǎn)生有用功，資源型地區(qū)企圖達(dá)到持續(xù)發(fā)展的目的就必須加速能源使用。而自然生態(tài)系統(tǒng)并沒有取之不盡，用之不竭的能量，能源的循環(huán)利用和高效利用是人類能夠長久發(fā)展的基礎(chǔ)，沒有循環(huán)和高效作為基礎(chǔ)，能量的利用就只是熵增的過程。張任平用有機(jī)朗肯循環(huán)效能分析得出在節(jié)能減排和綠色發(fā)展中，中低溫余熱的利用扮演著非常重要的角色，其中60% 的余熱可被回收利用，使社會(huì)系統(tǒng)熵增減小[11]。

5 推動(dòng)綠色發(fā)展的技術(shù)建議

在當(dāng)代大力推行改善生態(tài)環(huán)境的進(jìn)程中，政府不斷發(fā)力，成為改善環(huán)境中不可或缺的中堅(jiān)力量。首要事務(wù)是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，在加強(qiáng)各地區(qū)間交流合作的同時(shí)，應(yīng)加大國家的投入，放寬發(fā)展渠道，最大程度激發(fā)資源型地區(qū)的創(chuàng)新活力與節(jié)能減排，以助力新動(dòng)能的轉(zhuǎn)換為根本，在提升國家軟實(shí)力的同時(shí)，不能忘記推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[12]。加強(qiáng)環(huán)境治理，在推動(dòng)政策行進(jìn)的同時(shí)加強(qiáng)宣傳力度，多管齊下，使社會(huì)系統(tǒng)的熵增趨于最小化發(fā)展，使人類生態(tài)文明朝有序化方向行進(jìn)。

同樣重要的是優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分布，過于依賴資源損耗大的產(chǎn)業(yè)必然會(huì)導(dǎo)致社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的無序化發(fā)展。推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，加速綠色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，兩者之間相輔相成，齊頭并進(jìn)，才能逐漸降低熵增過高給現(xiàn)代社會(huì)造成的影響。綠色建造是推進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[13]，首先，作為國家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)綠色建造能夠從源頭減少熵的增加；其次，該產(chǎn)業(yè)的廣泛性使得負(fù)熵流不斷引入，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷蓬勃發(fā)展。

人們?cè)谧非竺篮蒙睢⒔?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，要理智地減少生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的熵增。提倡節(jié)約的美德，節(jié)約能源、資源。對(duì)有些資源和能源，如石油，煤，天然氣等這些不可再生的的化石能源，從長遠(yuǎn)來看，國家應(yīng)限量開采，減少消耗。應(yīng)充分開發(fā)新型清潔能源如太陽能、生物能、氫能和海洋能。另外，我們每個(gè)人要盡力減小自己的熵增，只要自身的行為使得地球這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)向著有序方向發(fā)展都是在減少自身的熵增。小到節(jié)約用水、用電，保護(hù)地球上有限的資源都是在減少自身的熵增。

6 結(jié)論

本文通過熵增原理和耗散結(jié)構(gòu)理論分析了我國資源型地區(qū)綠色發(fā)展的現(xiàn)狀。當(dāng)代的綠色發(fā)展向人們強(qiáng)調(diào)了生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要性，其中主要過程便是根據(jù)自身國家的國情，用來組成獨(dú)有的生態(tài)環(huán)境循環(huán)體系，不斷提高保護(hù)環(huán)境設(shè)備的現(xiàn)代化科技水平，主張全面落實(shí)社會(huì)主義獨(dú)有的可持續(xù)發(fā)展型環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略目標(biāo)。資源型地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展是要實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中所有資源的最大利用化以及生產(chǎn)廢棄物的最小量化，不只是單純的環(huán)境治理問題，而是涉及社會(huì)系統(tǒng)中的制造體系、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及分工等問題的戰(zhàn)略性觀點(diǎn)。