关于发展生物能源化解能源危机的思考

关于发展生物能源化解能源危机的思考自动化1班2011330330113李晨霞在全球能源危机和油价不断上涨的大背景下,各国寻找新能源的脚步也前所未有地加快。在种类繁多的新能源中,来源广泛、应用方便、污染小的生物能源作为一种理想的可再生能源,越来越受到世界各国的关注。据有关专家估计,到本世纪中叶,采用新技术生产的生物质能替代现有燃料的替代率将占全球总能耗的40%以上。在我国,生物质能也是仅次于煤炭的第二大能源,占全部能源消耗总量的20%。本文将通过对不同的演化态下能量守恒定律表现形式和生物能源二重性探析,特别是通过对发展生物能源对化解能源危机的探讨,多角度对发展生物能源进行深入思考。一、不同的演化态下能量守恒定律表现形式当今经济的飞跃发展引起能源消耗的惊人增长,能源危机笼罩着全球,但对能源危机实质的认识人们却不尽一致。能量守恒和转化定律告诉我们:能量既不会消灭,也不会创生,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化和转移过程中能量的总量保持不变。既然能量守恒和转化定律告诉我们能量既不会增加,也不会减少,那么为什么还会发生能源危机呢?为了回答这个问题,必须探讨能量守恒定律在宇宙各演化阶段的各种表现,进而揭示能源危机实质。自然界演化大致可分为宇宙的演化、恒星的演化、地球的演化、生物的演化四类[1],在不同的演化态下,能量守恒定律有不同表现形式。①宇宙大爆炸阶段。宇宙大爆炸学说认为,宇宙起源于200亿年前一个极高温极高密度的“原始火球”的大爆炸[2]。从大爆炸到基本粒子的形成,能量主要是以粒子辐射形式存在,这时的能量守恒定律主要表现为粒能守恒定律。②恒星演化阶段。恒星演化状态主要是氢核聚变为氦核及各种重元素的原子核聚变过程。根据爱因斯坦相对论,当光的速度为每秒米时,质量和能量实现了互换,即其中E为能量,M为质量为光速。这一公式表明少量的质量能转换为十分巨大的能量,它揭示了核能来源的物理基础,因此恒星演化状态下的能量守恒定律主要表现为质能守恒定律。③地球演化阶段。地球演化主要包括地圈、大气圈和水圈的形成。在地球演化的物理变化中有机械能、热能、电能、光能等能量的相互转化和守恒,在地球演化的化学变化中有质量守恒,因此在这一阶段能量守恒定律主要表现为封闭状态下能量守恒和质量守恒。④生物演化阶段。生命起源于化学演化,在生物演化状态下,由大气圈、水圈和岩石圈组成的生物圈是地球表面上生物生存和活动的范围。生物圈内的能量主要来源于太阳能,有机物与无机物利用太阳能实现物质和能量互换。从太阳能的吸收到生物体活动能量的耗散,生物圈内各种演化都是能量循环的表现。由于地球的运动变化导致生物圈内的能、力、热等能量不同表现形式始终处于动态中,从整体观演化的角度来说,进入生物圈中的能量应该与生物利用后散失的能量大体相等。因此生物演化态下能量守恒主要表现为总体意义上的动态能量循环守恒。二、能源危机实质探析能源危机是指由于能源短缺导致能源供应紧张,能源价格不断上涨而形成的危机。据国际权威机构估计,世界已探明的可采石油,大约只可供应人类41年的需要,天然气为60～70年,煤炭约200年,人类正面临能源危机对能源安全的威胁。能量守恒定律告诉我们能量既不能被创造又不能被消灭,可以从一种形式转化为另一种形式[3]。在生物演化状态下,为进一步认识能量守恒定律,需要了解“熵”。熵是体系混乱的程度的量度,在封闭系统中从一个平衡态经绝热过程到达另一个平衡状态,如果过程是可逆的,则熵值不变;如果过程是不可逆的,则熵值增加,这就是“熵”增原理[4]。有“序”是开放系统从环境里吸取了“负熵”或是减少“正熵”的结果。作为地下的石油、煤等能量形式的资源,如任其自然燃烧,将全部被耗散在无规则的分子热运动过程中,使环境的熵增加很多。就太阳辐射能而言,如果地表没有任何生物体,太阳能流(普遍理解为一种负熵流)几乎全部转化为紊乱无序的分子热运动,更会使地面的熵增加很多。熵的增加是能量减少的量度。比如我们燃烧一块煤,它的能量虽然并没有消失,但却经过转化随着二氧化碳和其他气体一起散发到空间去了,发生了熵增过程,再也不能把同一块煤重新烧一次来做同样的功了。如果只考虑能量守恒定律的普遍性,那地球上的能源就万世不竭了。然而能量守恒定律在不同的演化状态下有不同的表现形式:在宇宙的演化状态下,能量守恒定律主要表现为粒能守恒定律,在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于能量转化为粒子和粒子转化为能量的成功,否则会发生能源危机。在恒星的演化状态下能量守恒定律主要表现为质能守恒定律,在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于能量转化为质量和质量转化为能量的成功,否则会发生能源危机。在地球的演化状态下能量守恒定律主要表现为封闭状态下能量守恒定律和质量守恒定律,在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于封闭状态下能量转化和质量转化的成功,否则会发生能源危机。在生物的演化状态下的能量守恒定律主要表现为动态能量循环守恒定律,在这种状态下能否保持能量总量守恒依赖于动态能量循环的平衡,否则会发生能源危机。现在人类居住和活动的地球表层状态主要是生物演化状态,在生物演化状态下,能量守恒定律告诉我们:每当能量从一种状态转化到另一状态时,会损失能在将来用做某种功的一定“有效的”能量。这就是熵的增加。熵的增加即表明系统处于从非平衡态到平衡态的自发的、不可逆的演化过程中,用于做功的“有效的”能量做功后导致能量耗散,这必然会导致该演化状态能量总量的减少。为了逆转这个过程,需要一个熵减过程[5],即一种形态的能源消耗以后,通过一定过程重新获得原有能源形态的存在形态,也就是使能量具有类似生物一样恢复自身形态的能力,也就是发现一种能为人类持续提供能量的某种形式的物质资源。如果能够发现和利用这种物质资源,在地球表层状态下实现动态能量循环的平衡,则能量守恒和转化定律的实现就有了现实条件,能源危机就不会发生;如果不能够发现和利用这种物质资源,在地球表层状态下就不会实现动态能量循环的平衡,则能量守恒和转化定律的实现就缺乏现实条件,能源危机就必然会发生。这就是当前能源危机的实质。三、生物能源二重性及对能源危机的化解生物能源是蕴藏在生物质中的能量,是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量,包括生物质能、液体燃料及利用生物质生产的能源,如燃料乙醇、生物柴油、生物质汽化及液体燃料、生物制氢等[6]。生物能源之所以被认为是21世纪最有希望在解决能源危机方面有所作为的能源,是因为生物能源具有能源性和生物性的二重性特点,它既可以转化为人们所常用的能源,同时又可以持续不断地供应,能够满足动态能量循环守恒定律,保持能量守恒,化解能源危机。转贴于论文联盟