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1、第6章 能量系统与生态环境 6.1耗散结构 耗散结构理论是比利时普利高进教授为首的布鲁塞尔学派于20世纪70年 代创立和发展起来的一门边缘科学，他在较大程度上综合了能源、环境 和生态几方面的要素。 其要点： 1）研究的系统都是非孤立的，并且处于远离平衡的非平衡态。 2）当一参量增长到一定阈值时，原定态失稳，出现临界状态，达到新 的定态。过程是自发进行的，称为自组织。 3）新的定态相对于旧的定态更为有序，是无序到有序的突变，称为非 平衡状态下的有序转变。 4）系统通过临界点后形成有序结构，其对称性降低，称为对称破缺。 5）涨落在临界点处起到重要作用，微小的涨落可使系统离开热力学分 支而进入更为有
2、序的耗散结构分支（如“蝴蝶效应”） 6）新的有序结构靠能量流和物质流来维持，这种结构称为耗散结构 普利高津认为，只有在非平衡系统中，在与外界有着 物质与能量的交换的情况下，系统内各要素存在复杂 的非线性相干效应时才可能产生自组织现象，并且把 这种条件下生成的自组织有序态称为耗散结构。一个 典型的耗散结构的形成与维持至少需要具备三个基本 条件：一是系统必须是开放系统，孤立系统和封闭系 统都不可能产生耗散结构；而是系统必须处于远离平 衡的非线性区，在平衡区或者紧平衡区都不可能从一 种有序走向另一更为高级的有序；三是必须有某些非 线性动力学过程，如正负反馈机制等，使系统要素之 间产生协同动作和相干效
3、应，从而使得系统从杂乱无 章变为井然有序。 生态学 我国古代的先民对生态早有朴素的认知，把生 态简称为“天”，有天生万物唯人为贵的说法。 现代的生态（Eco）来源于古希腊语，指住所 火人们的环境，生态学在创建之初就表达为研 究生物有机体与其栖息场所之间相互关系的科 学。 生态学是以生物个体、种群、群落和生态系统 甚至是生物圈作为它的研究对象。生物圈是指 地球上全部生物和一切适合于生物栖息的场所。 它包括地球表面的岩圈的上层，全部水圈和大 气圈的下层。 环境及环境生态学 环境是指人们周围所在的条件。包括自然条件和社会条件；或 者指围绕着人群空间，以及其中可以直接、间接影响人类生活 和发展的各种自
4、然因素和社会因素的总体。 环境科学的一些基本概念 1）环境本底值 环境中物质和能量的分部值，如大气的组分、水体 的组分、土壤的祖坟、环境温度、大气压力等； 2）环境容量是指人类生存不致受害、自然环境结构保持稳定的前 提下，环境可能容纳污染物的最大负荷量； 3）环境自净能力是指在环境容量范围内，环境对进入其内部的物 质和能量，具有一定的迁移、扩散、同化、异化能力，恢复或 者接近环境本底值的能力。 环境的三大特性：稳定性、变化性、公有性 6.2 地球的能量环境 煤炭的形成与分类 6.3 生物与能量环境间的作用 著名物理学家薛定谔在生命是什么一书中引进 “负熵”的概念来解释这一现象。他说：“一个生命
5、有 机体不断地增加他的熵你或者可以说是在增加正 熵并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死 亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境里不断 的汲取负熵。我们马上就会十分明白，负熵是十分 积极的东西。有机体就是靠负熵为生的。或者，更 确切的说，新陈代谢中本质的东西，乃是使有机体 成功地消除了当它活着的时候不得不产生的全部熵” 粮食的负熵作用，不仅具有能量还有人类不可或缺 的各类营养。粮食中的能量来自太阳能，其转换效 率是非常低的，只有1%2%。 化石能源开采利用对生态系统的影响 采煤过程常有的问题有两方面，一个是开 采工人的事故与职业性伤亡；另一个就是 地面或地面生态系统的破坏。前者以井下 采煤最
6、为严重，后者则以露天采矿最为明 显。如果是露天开采，这样的地区有可能 变成永久的沙漠。此外，煤矿中排出的大 量酸性废水也是不能忽视的。露天开采 1106t煤要破坏土地800亩；排出矿坑污 水9.615.3104t（矿井）。 非化石能源对生态系统的影响 水能利用对环境的影响：土地淹没、库区移民、影响鱼类的回 游，影响局域气候等。 风能利用对环境的影响：占用土地、影响景观、干扰候鸟迁徙。 太阳能利用对环境的影响：主要是生产太阳能电池板的高耗能 过程对环境产生影响。 地热能利用：开采技术的不合理可能会导致污染地下水。 生物质能利用对环境的影响：机械化耕种的能源成本，粮食酒 精的不合理性。 核能利用对环境的影响：核废料的处理，以及潜在的核电站泄 漏性危害 氢能利用对环境的影响：高温或者电能制氢造成能源消耗影响 环境。
