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1、熵、能源与环境保护 第 7 页 共 7 页熵、能源与环境保护冯兴宝 (安庆师范学院物理系 安徽 安庆246001 )指导教师：吴隆才摘要：本文将深刻通过介绍“熵”的概念，联系实际生活，使人们了解熵、理解熵，让我们的生活、工作更加的科学。再具体的分析熵、能源与环境保护三者之间的关系，结合大量的事实和详细的数据，增强我们的责任感和紧迫感，以其强化人们节约能源、保护环境的意识。关键词： 熵 ， 能源 ， 环境保护“熵”这个源于热机的物理学概念，已经无孔不入的渗透到人类生活的各个层面，而近代社会中能源问题作为人类经济和社会发展的拦路虎，其重要性与迫切性已越来越重要的突显出来，同时也受到人类社会的高度重
2、视，节约能源与保护环境已成为出现频率极高的两个词语，而其中仍蕴涵着“熵”的问题。一 、 熵 一种新的世界观 “熵”念 shang ，是由英文entropy翻译过来的，当初克劳修斯提出“熵”的时候，中文字典里还没有这个词，于是译者只好独出心裁的创造了这个字。因为“熵”是热量除以温度的商值，故而取“商”字为字根，又因为“熵”这个概念是在研究热机的过程中提出来的，故以“火”字为字旁，所以“熵”本身就有着形象而丰富的信息内涵。 “熵”无处不有，一桶水，一块铁，任何宏观物质都有熵，熵也可以在过程中和产生和传递。摩托车在大街上急驰而过喷出股股的青烟，它污染了环境，也产生了熵；美英联军大规模对伊拉克的空中打
3、击，摧毁了大量建筑和各种设施，死伤众生，战争这个怪物使熵得到急剧的增加。全世界人民对科学技术的进步无不发出几声惊叹，殊不知，战火升腾起来的巨量的熵，都将给每个人分发一份灾难。自古以来，总有人眷恋着人生，希望能找到一种长生不老或返老还童的“仙丹”，但“熵”的规律总逼着我们由童年走向青年，壮年，走向衰老，走向死亡，这是一切生物都无法抗拒的安排，我们只能延缓这个过程，推行劳逸结合，修心养性，来抑制“熵”的催促，延缓衰老的过程。综上所述，好像总有一只无形的大手在控制着我们周围的一切，那是什么呢？物理学的发展告诉我们那就是“熵增加原理”。按照热力学第二定律的数学表达式： d s对于外界无能量交换与无物质
4、交换的孤立系统，或者绝热系统必有：d 0 从而有： d s0这就是“熵增加原理”，它表明：在孤立或绝热系统中，系统的熵永不减少，对可逆过程（d s = 0）熵不变；对不可逆过程，“熵”是增加的（d s 0）。这样我们就有了判断过程演化方向和限度的准则：在孤立系统中或绝热系统中进行的一切不可逆过程都向熵增加的方向演化，直到“熵”函数达到最大值为止，在孤立或绝热条件下，系统自发的由非平衡态趋于平衡态的过程，正是一种“熵”增加的过程，平衡态就是对应最大熵。一定的外部条件，确立系统一定的平衡态，最大“熵”也是指在一定的条件下的最大。例如原先在容器角落的浓集气体分子，会自动地扩散到整个容器，直到气体均匀
5、分布在容器里，在扩散进程中“熵”是逐步增加的，均匀分布对应最大熵，如图所示，高温热库T1与低温热库 T2之间用一金属杆相连，两者 之间就会发生热传导，若传导热量Q，高温热库“熵”变为S1= 0，高温热库、 Q 导热杆、低温热库，构成一个孤立系统， Q它的总熵变为S=S1+S2 = T2（1/T2-1/T1）0；足见热传导是一个不可逆过程，这个过程使得熵增加。 图一：热传导使熵增加二、 熵与能源“熵”的概念一开始就和能的概念关系密切，克劳修斯当初把“熵”定名为entropy，是德语“能量”的词冠“en-”和变易的词根“tropien”相组合。他说：我有意把这个词拼成 entropy。因为从热力学
6、意义上看，熵与能的关系是这样的：“熵”增加就是意味着系统的能从数量上讲虽然守恒，但是“品质”却越来越差，越来越不中用，被用来做功的可能性越来越小，不可用程度越来越高，这个就是能量的“退化”。例如：汽车的轮子与地面摩擦生热的过程是增加熵的过程，摩擦的机械运动变成分子的热运动，机械能变成了热能，虽然能量守恒，但是要让热能做功，再完全自动地变成机械能却无此可能。显然，热能的“品质”要比机械能差，热能的不可用程度要比机械能高，熵的增加意味着能量在“质”的方面发生了“退化”。所以熵和不可用能关系十分密切。而“能源”的本质是指能量的来源。例如：太阳辐射到地球表面上的能量，就是人类使用能量的主要能源。“能源
7、”的第二层含义是能量资源。例如：存在于自然界中的煤，石油，天然气等化石燃料，铀，钍等核燃料，以及生物体等都属于能源；由这些物质加工而成的焦碳，煤气，液化气，煤油，电，沼气等也是能源，前者以现存的形式存在于自然界中，为一次能源，后者为一次能源直接或者间接转换而来的人工能源，为二次能源。能源是人类生活和生产资料的来源，是人类社会和经济发展的物质基础。随着科学的进步，经济的飞速发展，以及人口的急剧增长，人们已经开始认识到能源是有限的，如果不高度重视，能源枯竭问题将会出现，那后果将不堪设想。能源问题的物理实质是物质与能量的转化问题，这些转化都为以下三条规律所支配：（1） 物质守恒定律：物质可以从一种形
8、式转化成为另一种形式，但它既不能创造也不能消灭。（2） 能量守恒定律：历史上有不少人为解决能源问题而设计一种无需输入能量而对外不断做功的机器，这种“第一类永动机”之所以失败，就是由于违背了能量守恒定律。（3） 熵增加原理：人类利用能源的过程，实际上是一种能量的转化，但是集中在能源中的无用能的数量在不断的增加。所以所谓“能源枯竭”、“能源危机”，只是能源消耗导致有用能急剧的减少，不可用能急剧增加的代名词，是熵增原理的反映。能（能源）和熵，从这两个概念的建立到上个世纪初，人们相信能源在经济和社会发展中的重要作用，能量主宰了宇宙中的一切。但是随着时代的发展，熵概念的重要性越来越突显出来了。人们越来越
9、多的把它和无效能量，混乱度，废物，污染联系在一起，认识到了熵的重要意义。于是有了一个形象的比喻：在宇宙这个自然过程的庞大工厂里，能量仅仅是充当了“薄记员”，它记载了收支的平衡，而“熵”起着“经理”的作用，它规定了整个企业的经营方式和经营方法，也就是说能量仅仅表达了宇宙中的一种守恒关系，而熵决定了宇宙该向何处去，而不再“能量”是主人，“熵”是影子了。三、熵 、能源与环境保护 1986年12月美国基督教科学箴言报征询了16位世界著名思想家关于21世纪议事日程的看法时，被采访的大多数人指出：世界环境恶化的严重性仅次于核毁灭的威胁。 1987年初欧洲环境年活动发表了关于欧洲环境状况的报告，把生态变坏和
10、环境污染称之为“人类缓慢的死亡”。 英国每日电讯报1988年11月15日公布了盖洛普民意测验结果。公众认为环境污染的威胁不亚于第三次世界大战，环境问题已成为世界各国的主要政治问题和社会问题。 据1992年11月份参考消息载，全世界1525位专家（其中99位诺贝尔奖获得者）呼吁人类救救地球，留给我们的时间不多了，我们不能回避这个问题。 显而易见，环境问题已经被提上日程。那么我们先看看能源与环境有那些联系？ 能源对人类发展的巨大贡献是显而易见的，但是也并不仅仅如此。它也已经和正在给人类带来了许多麻烦。主要是由于能源（主要是占总量的百分八十的化石能源）的利用造成的日益严重的环境污染。 在人类利用能源
11、的初期，能源的使用量及范围有限。加上当时科学技术不是很发达，对环境的损害较小。又由于环境的恶化是积累性的，只有较长时间的积累，才能觉察到它明显的变化，在这个过程中环境的改变并没有引起人类的特别注意，因此环境保护意识不强。然而随着工业的迅猛发展和人民生活水平的提高，能源消耗量越来越大，由于能源的不合理开发利用，致使环境污染也日趋严重。目前全世界每年向大气中排放的几十甚至是几百亿吨的CO2，SO2粉尘及其它有害气体，这些排放物都主要与能源的利用有关。它给人类带来的后果是：由于CO2等所产生的“温室效应”使地球变暖，全球性气候异常，海平面上升，自然灾害增多；随着SO2排放的增加，酸雨越来越严重，使得
12、生态遭到破坏，农业减产，氯，氟烃类的化合物的排放使大气臭氧层遭到破坏，加之大量粉尘的排放，使癌症发病率增加，严重威胁人类的健康。 必须指出，目前全球性的环境恶化，主要是发达国家在其实现工业化的道路上，利用当世世界上廉价的资源（包括能源），不顾后果地向全球疯狂索取，并排放大量污染物积累的结果。直到现在发达国家仍然是世界上有限资源的消费者和CO2等有害气体的主要排放者，其排放量占全球总量的四分之三，他们对世界环境的恶化应负主要的责任。 而在我国以煤、碳为主的能源结构面临两个突出的问题：首先是以煤为主的能源供应意味着较低的能源效率，另一个所要面临的就是环境污染问题。由于我国中小型企业多，技术工艺很是
13、落后，大量烟尘及有害气体未经处理就直接排放到了大气中，有关研究报告指出，我国排入大气的烟尘百分之九十的SO2和百分之八十五的CO2均来自煤。因此直接燃烧是我国大气污染的主要原因。 能源的利用，使人类的物质生活不断的得到改善，但却逐渐恶化了自己的生存环境，人类在谋求持续发展的过程中必须解决这一矛盾。那么熵与环境保护有什么样的关系呢？ 人类社会的经济过程包括三个子过程：生产过程，流通过程和消费过程， 每个过程都是导致“熵”增加的过程。 如图所示，在生产过程中，输入 高熵原料 高熵的原料，低熵的能源，后者用来作为机器设备的动力，也用来吸收前低熵产品低熵能源生产系统者的熵和生产过程中产生的熵，生产知识
14、技术中除输出低熵的产品外，还向环境 排放高熵的废物和废热。生产过程中的不可逆过程（如机械磨损，原料的流失等）会产生新的熵， 生产中熵的收支情况是： 高熵废物废热 图二：生产中的熵，物，能流能源的熵原料中的熵废物废热中的熵产品中残留的熵 + + 如果把原料中的熵作为“污秽”，低熵能源作为“抹布”，那么生产就是用“抹布”擦拭原料“污秽”的过程，原料擦干净，变成了产品，可“布却脏了”。从原料到产品，这部分物质的熵减少了，但环境的熵却因废物废热而增加了，总熵增加了。除了输入原料，能量外，还要具备知识和技术，知识和技术可以使生产安排合理而科学，可以减少能耗和废品，总之，可以减少熵的产生，从这个角度看，知识，技术起着负熵的作用，所以
