熵污染

熵污染摘要：本文从热力学第二定律的角度阐述了“熵污染”的起源，并分析了实际生产中的哪些行为会加剧熵污染，据此提出了一些改进意见。关键词：热力学第二定律；熵污染正文：一．熵污染1．熵污染的物理背景在科技迅速发展的今天，我们越来越多地听到“熵污染”这个新兴词汇。众所周知，“熵”是热力学第二定律的主角。那为什么又和污染联系起来了呢？下面我将逐步分析这个问题。传统热力学第二定律表述道：每一个自发的物理或化学过程总是向著熵（entropy）增高的方向发展。物体有秩序时，熵值低；物体无序时，熵值便增高。现在整个宇宙正在由有序趋于无序，由有规则趋于无规则，宇宙间熵的总量在增加。对熵概念物理意义做出微观解释的是奥地利物理学家玻尔兹曼(Boltzmann),在1877年建立了熵与微观粒子(原子、分子)、微观状态数目(热力学概率)W之间的联系,得到一个熵的统计公式:S=KLnW,此式阐明了熵的微观本质,给熵以明确的统计意义:孤立系统的熵与其微观状态数的对数成比例,即熵是微观状态个数的函数,是系统微观状态数的量度。W越小,熵越小,系数越有序,反之,W越多,熵越大,系数越无序。换句话说,在宏观孤立系统内部所发生的过程,总是由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行,也就是向着熵增大的方向进行。由此可见,凡是孤立系统都是熵不断增加的,一直增加到熵最大、系统崩溃为止。深入了解热力学第二定律的内涵，可以知道：自组织现象是一种提高其有序度的过程,是系统的无序状态由高几率向低几率迁移的过程。对于孤立系统,这样的变化是不会自发地产生的。在人类社会中，制造系统是开放系统而非孤立系统,因此自发组织现象是可能发生的。自组织的制造系统是有赖于外界给它输送负熵,以提高其有序度。因此,与自组织过程相伴的必然有另一个“伴随过程”,后者向前者输送负熵,也就是输送有序度或信息。开放系统的熵变化由两部分组成,一部分是系统内部的熵产生,按热力学第二定律这部分熵变必为正;另一部分是系统与外界交换的熵。因此,每一件精美的产品问世,必然在世界上另外某一个地方造成了熵的增加,而且环境的熵增必然大于产品的熵减,大于的部分意味着能量中转化为不可用能量的比例在增大,物理学上称作能量退化,从而使得我们这个已经十分拥挤的世界变得更加紊乱。这种现象称为“熵污染”。环境污染实质是环境的熵增污染，熵增的大小可用作地球环境污染测量尺度。另外，当我们谈到“耗能”或“节能”时，应指出，这种说法的不严谨。因为能量既不能消灭，亦不能创生，它只能从一种形式转化成另一种形式，正如热力学第二定律所告诉我们的那样，它只能从高“质量”(低熵)形式转化成低“质量”(高熵)的能量形式。我们实质上消耗或节约的不过是可用做有用功的自由能而已。所以，节约或明智地消费自由能，可将人类生存和发展所必须发生的在地球环境中的熵增降低，同时就使对地球环境造成的污染最低。对这一途径持续不懈的追求和探索即是可持续性经济增长模式的方向。2．最小能量耗散原理熵污染是由热力学第二定律决定的,而与制造过程的具体的物理特性无关。显然熵污染是人们不希望的,但又不可避免。制造过程的“熵污染”虽然不可避免,但可以大大地减轻。问题症结在于传统的“他组织”的制造过程中,由于人为的干预,对于环境造成了大量不必要的熵增,使得“熵污染”比起自组织过程下更趋严重。近平衡态热力学有一个“最小能量耗散原理”:在满足约束条件的前提下,非平衡定态的熵产生趋于最小,能量耗散趋于最低。而任何外加的强制或人为的干预必然使熵产生或能量耗散增加。譬如金属切削中所消耗的能量绝大部分消耗在切屑的变形上,这些能量消耗转化成切削热,耗散到环境中,成为熵污染。可是,切屑的变形和发热并非我们的目的。切削加工的目的在于形成新的表面,而消耗在形成新表面方面的能量却只占微不足道的比例!。注入工艺系统的信息是从环境中抽取的,物质和能量的浪费归根结底增加了环境的熵和环境的负担。制造系统与环境之间不仅交换物质和能量,还要交换信息和熵,信息的转换和熵的消长包含着自组织的精粹。人为的工艺和人为的结构往往不能最节省地利用能量和信息,从而给环境造成不必要的熵增。而采取自组织策略,实施自组织制造或仿生制造,可以将对环境的熵污染也就是熵增降低到最低限度。从这个意义上说,自组织制造是真正的绿色制造。二．人类的哪些行为造成了熵污染（出现的问题）1．掠夺式开发和粗放式经营以中国为例:从1999年到2003年,全国有1010168公顷林地被改变用途或被征占为非林地,长江上游地区森林覆盖率历史上曾达到60%～80%,可到了20世纪80年代一度降到10%左右。这样的资源掠夺式开发必然导致植物资源的减少,即可以向自然界输入“负熵”的物质减少。经济发展是要资源,但怎能这么快的强占资源呢?这样掠夺式的开发利用,破坏了资源的再生能力,长此以往,必将导致整个环境的熵增。另据一项数据表明,中国的单位产值耗能比世界平均水平高214倍。中国人多,资源少;耗能多,产出少;单位GDP的能耗远远高于世界平均水平,GDP的增长是以消耗比别人更多的自然资源,造成更大的环境污染,引起更加快速的熵增为代价的。这种粗放型经营和掠夺式开发,使资源开发利用处于一种混乱无序状态。对不可更新资源来说,其固定的有序能以较快的速率转变成没有利用价值的无序能,而新的有序能需较长时间的贮存才可达到现在的量,造成了不可更新资源数量的减少,也就间接的造成了环境中熵增的加速。对于可更新资源来说,当其自身的负熵耗散超过了来自太阳能的负熵的补充,也将使该资源走向无序和退化。中国是个资源大国,但是相对于这么多的人来说,就是资源小国了。中国总体上说是地大物博,自然资源总量比较丰富,但由于人口众多,因而人均占有量处于很低水平,除了煤炭外,都低于世界平均水平。如我们的人均淡水、耕地、森林和草原资源,分别只占世界平均水平的28%、32%、14%和32%左右;石油、天然气、铜和铝等重要矿产资源的人均储量,仅相当于世界人均水平的8.3%、4.1%、25.5%、9.7%;并且这些资源随着人口的增加和资源的减少,还会使人均占有量越来越少。据预测,中国煤炭储量近2000亿吨,如果按年产25亿吨速度推算还可供应80年;石油剩余可采量23亿吨,仅可开采14年;天然气剩余开采量为6310亿立方米,可供开采不过23年。专家预测,随着经济的飞速发展,50年后中国除了煤炭外,几乎所有的矿产资源都将出现严重短缺。这种基本国情,决定了中国在发展模式上,不可能像美国那样。美国以占世界不到5%的人口,消耗世界25%的能源。因此,资源的合理利用对于中国来说就格外重要。2．结构不断升级加剧了能源资源的消耗从经济结构变化看,中国近几年呈现出重化工业加速发展的特征。2004年重化工业占工业增加值的比重已达到67.6%。重化工业往往是高能源消耗、高资源消耗产业。从消费结构的变化看,城镇居民正在实现从传统的“吃、穿、用”到“行、住”的升级。消费结构的变化和升级导致资源消费强度增加。另外,中国已进入城市化提速阶段,城镇化水平年均增长1个百分点,相当于每年从农村转移1400万～1500万人到城镇。据测算,城镇人口人均能源消费是农村人均量的3.5倍。国家发展和改革委员会提供的数字显示,建国50多年来,中国GDP增长了大约10倍,同时矿产资源消耗增长了40倍。工业部门的能源消耗占全国能源消费总量的70%以上,而钢铁、有色金属、化工、建材等高耗能行业的能源消耗又占整个工业终端消费的70%以上。也就是说,中国高能耗行业差不多消耗了全国能源消费总量的一半。2004年中国的GDP占世界经济总量的4%,但石油、能源、水、煤、铁矿石、钢材、氧化铝和水泥的消耗量,分别为世界消耗量的7.4%、11%、14%、31%、30%、28%、25%和40%。目前,中国终端能源用户用在能源消费的支出占国内生产总值的13%,而美国仅为7%。中国创造每一美元的生产总值,能源的消耗约是美国的4.3倍,德、法的7.7倍,日本的11倍。中国能源的利用率目前仅为34%,比发达国家落后20年,相差10个百分点。中国8个主要耗能行业的单位产品能耗比世界先进水平高47%,而这8个行业的能源消费占工业部门能源消费总量的73%。按此推算,与国际先进水平相比,中国的工业部门每年多烧了2.3亿吨标准煤。正是这些行业大规模低水平扩张,致使中国的能源和重要原材料供应出现紧张的局面。三．如何减少熵污染（问题的解决方案）1.开发利用高效的资源和能源那些提供相同的能量,达到相同的功效,却使系统熵增较小的能源具有较高的利用价值。现在,化石燃料已遭受大规模的浩劫,人类发展所需的资源和能源已经告急。我们迫切要求开发新能源,使用清洁能源。在获取相同价值的同时,使生产过程对环境产生相对较小的负面效应,减缓熵增的速度。风能、水能、太阳能、核能、潮汐能、生物能等都可以作为新能源,但我认为太阳能作为来源广泛充足,无任何污染的新能源,具有更大的潜力和实际意义。目前全球范围内存在的能源危机,是人类历史发展进程中的必然现象,具有其存在的合理性,人类社会的能源结构很有可能以此为契机,得到全面而合理的优化,使结构更加科学合理。2．提高能源的利用率可以实行循环经济,并采用新的技术和工艺,降低能源在开发利用过程中的技术成本。在非循环生产过程中,工序越复杂,各过程中能源资源消耗和产生的废弃物也越多。因此,我们应该对生产过程中各个环节产生的废弃物加以利用,变废为宝;使具有低位能的资源也得到充分利用,减少有效资源的浪费,以减小向环境中输入熵的速度。归根结底,就是要实行循环经济。3．利用不可逆过程的建设性作用这主要是从理论上进行阐明的。利用某一不可逆过程(如图1的过程1)的“负熵耗散”结构,使得某个由它而得益的系统(它可以是可逆的或不可逆的过程,如图2的过程2)得到“负熵的贮存”。从而达到熵增减缓的目的。如果我们能够充分利用自发过程中产生的相对无序的能量即低位能,使之成为人们可以利用的某个非自发过程发生的能量来源,以促使这个过程的发生。这样就使产生出的相对无序的能量,变为有用的能量加以利用,以创造更高的价值。图-14．适当的经济政策将有助于熵增的减速目前,世界上大多数国家采用的都是市场经济体制,而资本家生产的目的就是实现利润最大化。此时“熵增原理”并未引起传统的经济学家的重视,社会为这种粗放式的经济发展付出了沉重的代价。德国的莱茵河就是很好的例证。这种情况下,现代很多经济学家都提出,要给环境估个市场价,让它参与到市场经济中。建国以来,由于受到西方工业文明的影响,中国走的是一条粗放型的“高熵道路”,高投入、低产出、高消耗、低效益,仅注重发展速度,不考虑资源持续利用和生态环境保护。21世纪的社会主义中国如果不选择一条低熵的发展模式,如果对环境和资源问题不予以高度重视,则在经济高速增长的同时,必将抵消由它带来的社会财富的积累。现在这种趋势已初见端倪,中国近几年虽然用于环境污染治理的投入呈逐年递增的趋势(见图2和图3),但是环境污染也呈现逐年加剧的趋势(图4～图6)。图-2图-3图-4图-5图-6四．总结1．环境污染实质是环境熵（增）污染，熵增大小可用作环境污染的度量。2．降低环境污染的主要途径是寻求能源（低熵）做有用功的最小熵增途径及提高能源利用效率。参考文献：[1]林德根.熵理论的一场大辩论[M].成都:四川科学技术出版社,1993.360-363.[2]邝福光环境伦理教程中国环境科学出版社2000[3]贺璋瑢枯竭的资源重庆出版社2000[4]陈宜生，刘书声谈谈熵湖南教育出版社1994[5]李慧明.熵律、生态平衡与环境资源合理利用南开经济研究,1999(4):7-12.