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1、工业生产过程的熵分析（王承阳，东北大学，材料与冶金学报）摘要:从地球生物圈系统进化与可持续发展的角度，从节约能源与减少不可逆损失的角度，阐述了对工业生产过程进行熵分析的必要性和可行性.关键词:熵产 ;热力学第二定律 ;生物圈系统进化;熵分析1 地球生物圈系统进化与熵热力学第二定律指出:一切的实际过程都是不可逆的，不可逆导致熵不断产生，使得孤立系统的熵一直增加，直至达到最大值，此时系统达到了平衡状态，一切变化和过程全部停止.作为热力学理论的发展，耗散结构理论指出:对于一个远离平衡状态的开放系统，通过不断输入能量并将之耗散，再向外界放出，可以维持甚至产生稳定有序的组织结构。单从其结果来看似乎与第二
2、定律的结论不同；然而耗散结构的产生正是热力学第二定律发挥作用的结果。关键在于耗散结构对能量的耗散:这种耗散作用的实质是不断地向系统输入含熵少的高品质能量，同时不断地向系统外排放含熵多的低品质能量（一般为低温废热），即形成一个负熵流，把系统内不断产生的熵排出去，从而维持组织结构的稳定和发展。自组织现象或耗散结构的产生，根本原因是在“不断与外界交换物质或能量”的过程中内部熵减少了，导致对称破缺，产生有序和结构。熵可以理解为系统无序程度的量度或者接近完全热力学平衡的程度，所以熵的减少导致差异、有序和结构的产生。因此，凡是可能出现熵减少（也称为负熵流)的系统，无论是封闭的还是开放的，都可能产生自组织现
3、象。即使总熵只能增加的孤立系统，只要它足够大，它的能够发生局部负熵流的子系统也有可能产生自组织现象。地球表面的大气、海洋、土壤和生活在其中的生物组成了生物圈。这个生物圈经过几十亿年的发展，从简单到复杂，吐故纳新，成为一个稳定的耗散系统。太阳辐射给这个耗散系统提供了高品质的能量，生物圈内的各种过程、活动将这些能量耗散成为废热，然后通过长波辐射将废热释放到寒冷的外太空中去。依靠这样一系列能量转化与传递作用，该系统获得了负熵流。负熵流充足时，生物大进化，大发展，并且不断形成各种矿产资源的储藏，如煤炭、石油等等；有时也有各种自然灾害，造成临时或者局部的熵增，就会出现生物的大批死亡甚至灭绝。文献中论述了
4、地球是一个近似封闭的系统。它与外面的仅有的联系是吸收太阳辐射和向外太空发射长波辐射。太阳辐射和长波辐射都是热辐射，对应的辐射温度分别大约为 5 800K 和 290K 根据热力学理论，可以计算它们产生的熵传递量。到达地球大气层上界的太阳辐射约为 173 X W 其中大约 30%以原来的波1015长反射掉了，其余部分（约 121 X W)被地球接受。这部分太阳辐射给地球1015带来的熵流为 = 121 X /5800 21 X W/K,地球处于稳定平衡状况， 1015 1012能量收支基本相等，所以可取长波辐射总量等于地球接受太阳辐射量于是长波辐射带出的熵流为 = 121 X /290 417X
5、 W/K。 1015 1012因此，地球获得的负熵流约为 ,即允许地球系统=396X1012W/K产生这么多的熵。自然界的一切具有结构的现象包括风雨雷电、海洋洋流、大气环流等等均由此产生，当然也包括生物多样性。文献1否定杰里米里夫金等人的地球退化的观点，认定地球“演化的总趋势是进化而不是退化”。其实，演化趋势是退化还是进化的根本判据仍然是熵，当地球系统内部的熵产生少于太阳辐射和地球长波辐射所能提供的负熵流时，地球就向有序化、结构复杂化方向发展；反之，当内部熵产生多于负熵流时，地球系统就会退化。人类的一切活动都是由能量来推动的，从这个意义上讲，环境的污染是与能量的消费成正比的。大自然有能力对污染
6、物质进行自洁净，该过程是在太阳辐射作用下进行的，即需要消耗一定的太阳能。按照热力学的观点，无论是人类的生产与生活活动还是大自然的自洁净过程，都会使生物圈系统的熵产增加。为此，地球一方面提高长波辐射强度以加速排熵过程，反映出来的宏观效应就是温室效应；另一方面，以部分生态系统既散系统)的崩溃，即荒漠化和物种灭绝等来容纳生物圈系统内部熵的积存。即使经过污染治理我们看不见垃圾遍地、污水横流等表观污染的存在，却仍可以直接领受生物圈系统熵增的全球性后果。人类活动对于地球系统的进化有弊有利。总体来讲，工业革命以后迄今为止弊大于利。工业化大生产的高消耗促使地球系统内熵产快速增加，从而导致温室效应和局部耗散结构
7、崩溃谎漠化和物种灭绝等)。目前人类已经意识到这一点，故提出了环境保护、生态保护和可持续发展的理念。人类在控制地球系统的熵产生、促进其进化方面仍有可为。例如，火力发电过程由于化石燃料的使用会产生大量的熵，对地球系统的进化是不利的；河水从高原流向海洋的过程是自发的、有熵产生的不可逆过程，人们利用水力发电减少了这个过程的不可逆性，从而减少了熵的产生，风能的利用也是这样，这对于地球系统的进化又是有利的。如果对人类的各项活动尤其是工业活动进行熵分析，我们就可以有选择地加强那些可以减少熵产生、有利于地球系统进化的活动，限制那些产生大量的熵，导致地球系统退化的活动，使整个地球系统可以更好地持续发展下去。2。
8、能源节约与熵 能源一直是制约我国经济快速、健康、稳定发展的瓶颈。改革开放以来，我国的能源利用水平有了巨大的进步，例如钢铁工业的吨钢综合能耗从 1980 年的 59。 79GJ 坏降为 2000 年的 34。 59 GJ,但我国单位能耗实现的 GDP 仍远低于发达国家，连续几年的电力紧缺更使国民经济遭受了严重损失。因此，在能源特别是动力方面进一步开源节流已成为当务之急。在工业生产中经常采用各种能源利用技术，以提高能源使用效率和能源利用的速度。例如各行各业普遍采用的强化传热技术，通常采取增加传热温差、扩大传热面积、增大流体流速、促进流体扰动等方法，同时也会造成相对增加的流动阻力。于是在获得较大程度
9、的传热收益的同时，要付出工质压力下降、输送功率增加的代仇即增加了不可逆损失和动力损失。所以，对传热设备以及各种能源利用设备的设计，不应仅仅限于传热效能等指标的提高，而必须将减少不可逆损失(即可用能损失或动力损失)提到重要地位。熵产是不可逆损失的标志，对工业生产活动进行熵分析并进行熵产最小化的理论、方法和技术的研究，是能源利用技术发展的现实需要和技术水平提升的具体体现。3 工业生产过程熵分析举例3。1 温差传热有两个热源温度分别为 和 热量 Q(绝对值)从 直接传向 可以计算得1 2 1 2该过程中，子系统热源 放热导致失去的熵为 ，子系统热源下放热导1 1=1致失去的熵为 。该过程的熵增加量为
10、 ,亦即整个系统孤2=2 =(211)立系统，仅包括两个子系统 和 )的熵增。如果在 和 之间安装一个可逆热1 2 1 2机，则热机可以输出的功为 ,而相应的孤立系统熵增为零。如果安=(121)装的热机是不可逆热机，则相应的孤立系统熵增介于零和 之间。=(1211)孤立系统熵增就是熵产生。4 工业生产过程熵分析需要解决的课题分析人类活动尤其是工业生产过程的熵产生和熵流动并以此判断其对环境的影响尚存在许多困难，有待于我们在今后的工作中进行探索和解决。首先，与能量、质量不同，熵不是一个守恒量，它随着过程的发展而产生，具体过程的差异性使得熵产生的计算相当复杂。进一步地，如前所述，熵产和熵流可以导致自
11、组织现象产生，自组织现象的非线性机理使在有限势差下发生的过程产生某种程度的不确定性。其次，过程熵产生与外界(热力学意义上的环境)状态密切相关，因此在熵分析和计算时，必须有外界参照物的相关数据。有时还需要借助系统状态向外界状态过渡的参考过程进行计算。要求这种参考过程不能将外来干扰引入计算过程。再次，过程熵产生与生态环境破坏和生物圈退化的定量关联关系尚未建立，这种关联关系极有可能是非线性的和多线程的。事实五人们迄今仍未完成对各种过程熵的统一不仅热物理范畴的熵与信息熵之间的关联众说纷纭，就连传热熵产与化学反应熵产的同质性都有人质疑，甚至关于熵本质的认知，目前学术界尚有许多争议。第四，大多数学者都认可
12、热力学第二定律和熵在宇宙演化中起着重要作用，是宇宙演化机理的一个组成部分，但由于热力学第二定律的确切角色并不十分清楚，因此也有部分学者对此表示怀疑。应当明确，人类活动尤其是工业生产活动的过程基本是确定的，作为地球系统的局部，在工业范围内可以暂不考虑自组织现象(在人类活动的社会学、经济学范围可以发生自组织现象，但已经超出了物理学和工业生产过程的范围)，从而在工业生产过程范围内熵分析不存在不确定性。我们所要做的是建立一系列分析计算方法，这就是我们今后研究的课题之一。尽管过程熵产生与生态环境破坏的定量关系尚无法建立，但就已有的学术成果来看，熵产导致生物圈退化的定性结论完全可以确定。因此，可以将过程熵
13、产生作为考核工业生产过程与环境协调夜好)程度的相对的技术指标。为达到同样的生产目的，熵产生越少，对生态环境越有利，或称环境友好程度越高。今后我们的研究课题还包括建立以熵分析为理论基础的工业生产对环境影响的评价指标体系，努力建立熵产与生态环境破坏和生物圈退化之间的定量关系，并进一步研究能量、物质、信息与熵的联系队熵的微观本质和对称性本质出发是一个比较好的途径)。从 20 世纪 80 年代起，国内外众多学者广泛开展了传热和流体流动过程中熵产的分析研究工作，取得了丰硕的成果，从而为后面的工作打下了良好的基础。5。结语(1 她球系统演化趋势是退化还是进化的根本判据是熵。当系统内部熵产生少于太阳辐射和地
14、球长波辐射所能提供的负熵流时，地球就向有序化、结构复杂化方向发展；反之，当内部熵产生多于负熵流时，地球系统就会退化。（2）工业化大生产的高消耗促使地球系统内熵产快速增加，地球提高长波辐射强度以加速排熵过程(ate 室效应)，局部耗散结构崩溃(荒漠化和物种灭绝等)以容纳熵增。(3)从类在控制地球系统的熵产生、促进其进化方面仍有可为。如果对人类的各项活动尤其是工业活动进行熵分析，我们就可以有选择地加强那些可以减少熵产生、有利于地球系统进化的活动，限制那些产生大量的熵，导致地球系统退化的活动，使整个地球系统可以更好地持续发展下去。(4)进行具体的工业生产过程熵分析的理论基础与技术基础已经具备。(5)针对各种具体的工业生产过程分类建立一系列熵分析计算方法，是今后研究的课题之一(6)今后的研究课题还包括建立以熵分析为理论基础的工业生产对环境影响的评价指标体系，努力建立熵产与生态环境破坏和生物圈退化之间的定量关系，并进一步研究能量、物质、信息与熵的联系。
