熵能源与环境保护

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1、熵、能源与环境保护摘要：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

2、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

3、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 dQT对于外界无能量交换与无物质交换的孤立系统，或者绝热系统必有：从而有：这就是“熵增加原理”，它表明

4、：在孤立或绝热系统中，系统的熵永不减 少，对可逆过程(ds = )熵不变；对不可逆过程“熵”是增加的(d s )。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

5、库T与低温热库T2之间用一金属杆相连，两者库“熵”变为AS产-T，高温热库、2它的总熵变为 S=AS+AS2导热杆、低温热库，构成一个孤立系统，图一：热传导使熵增加Q (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。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

6、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”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

7、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

8、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

9、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

10、 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。在人类利用能源的初期，能源的使用量及范围有限。加上当时科学技术

11、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，使得生态 遭到破坏,农业减产,氯,氟

12、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，技术工艺很是落后，大量烟尘及有害

13、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，输入高熵的原料，低熵的能源，后者用来图二：生产中的熵，物，能流产品中残留的熵作为机器设备的动力，也用来吸收前 者的熵和生产过程中产生的熵，生产 中除输出低熵的

14、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：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，所以在近代化的生产中工人的培训 是十分重要的。流通过程，需要各种运输工具和机械

15、，你看那大街上，人来人往多热闹， 车辆何其多，扬尘土，吐毒雾，嘈杂扰人心，熵增知多少，流通过程也是一熵 增过程！消费过程，食物经消化变成排泄物；各种生活消费品，用旧了，用坏了， 最终都扔进了垃圾箱，垃圾厂。夏天，喝完汽水，金属瓶盖往地下一扔，久而 久之，生锈了，金属分散了，熵增了，全世界50 亿人，每人平均扔一个瓶盖， 就要浪费掉多少金属，增加多少熵！消费过程是彻头彻尾的熵增过程，要满足 消费就要发展生产，发展经济，经济腾飞，生活腾飞，熵也腾飞！那么熵增带给我们的是什么呢？研究表明那就是环境污染。因为人类不断 的消耗了大量的能源，能源的数量在不断的减少，而平均分布在环境中的无用 物，污染物，废

16、物的数量在不断的增加，致使环境在不断的恶化。电冰箱生产 中“氟里昂的泄露”破坏了大气的臭氧层，大气便阻挡不了太阳紫外线对人类 的伤害，使皮肤病患者数量在不断的增加，古怪病的出现，追其病根无不与环 境污染有密切的关系，诸如非洲大面积严重的干旱，灾民遍野，孟加拉的飓风， 致使数千人的丧生，与熵增有着密切的关系。可见，能源的不合理开发和利用，人类经济生活增加了熵，恶化了环境， 危害了人类。四：结束语随着科学技术的不断进步，人类社会的经济水平快速的增长，能源消耗也 同时在更加快速的增长，带来的是人类生存的环境在不断的恶化，人类要发展， 要进步，就必须正确的认识熵、能与环境保护之间的关系，在可持续发展战略 的基础上合理的开发和使用能源，从而保