对资源环境问题的思考_熵率与自然资源的合理利用
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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 [5 ] 。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 。
Key words: natural resource; environment; law of entropy grow ing; reasonable use; the law of thermodynam ics
前言
资源环境问题已日渐成为制约各国发展的重大 问题 ,资源的丰缺程度直接关系到国家的经济建设 、 社会稳定 ,是一个国家发展的基础和核心 。就世界范 围看 ,广泛存在着资源不足和环境污染的现象。在中 国尤为突出 ,这主要与中国现在所处的发展阶段有 关。随着中国工业化和城市化步伐的加快 ,资源消耗 与环境污染呈现快速增长的态势 ,资源与环境已日渐 成为制约中国现阶段经济社会发展的瓶颈 。
第 32卷第 7期 2007年 7月
环境科学与管理 ENV IRO NM ENTAL SC IENCE AND M ANAGEM ENT
文章编号 : 1673 - 1212 (2007) 07 - 0171 - 04
Vol132 No17 July 2007
对资源环境问题的思考
———熵率与自然资源的合理利用
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 。
第 32卷第 7期 2007年 7月
沈昊婧等 ·对资源环境问题的思考 ———熵率与自然资源的合理利用
Vol132 No17 July 2007
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 ,但笔者认为太阳能作为来 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 。
本文正是在这种形式下 ,试图从熵的角度来说明 在资源开发对环境造成的不可逆的影响 ,并且试从理 论上提出一些对策和建议 ,以起到抛砖引玉的作用。
1 熵律与自然资源
热力学是研究与热现象有关的能量转换规律的 科学 ,它有两条自然界普遍遵守的基本定律 。 1. 1 热力学第一定律
热一律告诉我们 ,在自然界中 ,能量既不能消灭 , 也不能凭空产生 ,它只可以从一种形式转变为另一种
Shen Haojing, Yuan Xuying
( School of U rban and Environmental Science, Huazhong Normal University, W uhan 430079, China)
Abstract: The movement system of energy and material of natural world based on the law of thermodynam ics. On the view of entropy, the action for human to exp lore and to use the nature resource can enhance the speed of entropy growing, which is harm2 ful to the environmental systemπs stableness and regulation. And the human, the main part of the intelligence - circle, can bring m inus entropy in it by our w isdom and know ledge to slow the entropy grow ing speed down. In the situation nowadays, we can take some p roper measures, stick to scientific develop ing concep t, use saving econom ic develop ing system. Form the view of entropy, we can exp lore new high efficiency energy, and make full use of the constructed function of the inverse p rocess. W e can raise the utilization ratio of the resources by know ledge imp roving.
·171·
第 32卷第 7期 2007年 7月
沈昊婧等 ·对资源环境问题的思考 ———熵率与自然资源的合理利用
Vol132 No17 July 2007
形式 ,从一个物体转移到另一个物体 ,在转换或转移 过程中能量是守恒的。它从能“量 ”的角度说明了宇 宙中的能的总量不变 [ 1] 。若只从这个角度来看 ,似乎 并不存在能源危机 ,也不存在资源危机 。但自然界里 一切自发过程的发生还要受到热二律的制约 。 1. 2 热力学第二定律
热力学第二定律又称熵增定律 ,它是从能“质 ” 的角度说明自然界中的能是“有限的 ”,自然界中能 的传递总是从高能位向低能位 、由集中到分散 、从有 序到无序进行的 。在传递过程中消耗的一部分能量 不可逆转地成为无用能而逸散到环境中 ,造成了整 个系统的熵增 ,也使能量的可利用度降低 ,即能量 “变质 ”或 是 说“贬 值 ”了 , 因 此 熵 也 称 为“能 趋 疲 ”[ 2 ] 。自然界里一切自发过程都是向着熵增的方 向进行 ,资源的开发利用过程也是这样的 ,也就决定 了人类在经过充分而奢侈地发展后 ,资源与能源出 现危机的历史必然性 。 1. 3 自然资源利用与热力学定律的关系
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 。 2. 2.源自文库4 利用不可逆过程的建设性作用
笔者认为 ,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. 2. 2 资源开发利用过程中应用人类智慧
科学技术相当于负熵 ,它使生产过程的各个环 节趋于有序 。人类是地球上唯一拥有智慧的动物 , 应该将知识运用到生产实践中 。可以运用科学的管 理模式和开采方法 ,使资源的开发科学合理 。可以 通过技术的提高 ,采取集约化的生产经营方式 ,使资 源的利用趋于有序 ,也相当输入了“负熵 ”流 ,抑制 熵增速度 。政府可以采取相应的宏观政策进行调整 和约束 ,以达到向环境输入“负熵 ”的目的 。 2. 2. 3 提高能源的利用率
式 ,从熵的角度出发寻找高效的新能源 ,充分利用不可逆过程的建设性作用 ,通过知识技术的进步提高资源能
源的利用率 。
关键词 :自然资源 ; 环境 ; 熵增定律 ; 合理利用 ; 热力学定律
中图分类号 : X24
文献标识码 : A
Consideration about the Issues of Resources and Environment
自然界是一个封闭的系统 ,在其内部的物质运 动和转换都要受到热力学定律的制约 。人类在开发 利用资源的同时 ,通过各种生产和生活活动将储存 高能质的自然资源转变成贮存低能质的废弃物 ,使 自然界的熵增加速 ,熵增又意味着混乱度和无序度 的增加 [ 1 ] 。我们开发资源就是利用其中贮存的有 序能 ,但在利用过程中 ,不注重效率问题 ,使“高能 质 ”物质在未得到充分利用的情况下就急剧减少 , 自然资源出现了向着“低能质 ”形式演变的逆向演 化过程 ,其“负熵资本贮存 ”也就相应减少 [ 3 ] 。这样 就改变了地球的物质与能量的结构和有序状态 。一 旦我们把这种有序的结构打乱后 ,自然系统将很难 恢复 。而自然界中数量有限的不可更新资源 ,将不 能再为我们人类提供任何发展的基础 。
起初 ,地球接受太阳能 ,并通过各种转化过程将 以无序状态存在的物质和能量转化成具有结构的 、 非均匀分布的有序状态 。其结果形成了自然资源 。 自从人类诞生以来 ,一直在直接或间接的利用各种 资源 ,在利用过程中伴随的熵的变化见图 1所示 [ 1 ] 。
图 1 生产中的熵流 、物流 、能流 [ 1 ] ·172·
沈昊婧 , 袁绪英
(华中师范大学 城市与环境科学学院 ,湖北 武汉 430079)
摘 要 :自然界中的能量与物质系统的运动是遵循热力学定律的 。从熵的角度来看 ,现在人类开发利用资源的
方式 ,使系统熵增加速 ,不利于环境系统的有序和稳定 。而人类作为智慧圈的主体 ,是可以通过智慧和知识 ,向
其输入负熵 ,以延缓熵增速度 。目前的形式下 ,可以采取适当的对策 ,坚持科学的发展观 ,实行节约型经济模
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 ,各种资源的人均储量大多都低 于世界平均水平 。因此 ,资源的合理利用对于中国 来说就格外重要 。 2. 2 可采取适当的解决措施 2. 2. 1 开发利用高效的资源和能源
笔者认为 ,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资源或能源有较高的利用
2 掠夺式 开 发 和 粗 放 式 经 营 导 致 熵 的 急 剧 增长
人类处于一定时空范围的生态经济系统中 ,其 中的能流和物流遵循热力学定律 。只有遵守和顺应 规律 ,人类才能持续地取得丰富而又合乎需要的资 源和能源 ,实现可持续发展 。人类的经济系统是开 放的系统 ,它需要不断地与周围的其他系统进行物 质和能量的交换 ,同时也进行着熵的交换 ,正如图 1 所示 [ 3 ] 。
粗放式的经济发展模式的出现也有其历史必然 性 。十八世纪以后的机械论时代 ,人定胜天的思想 支配着人们的生产活动 。这些给人类社会带来巨大 的进步 ,同时也埋下了忧患的种子 ,从此人与自然之 间只有征服与被征服 、统治与被统治的对立关系 [ 4 ] 。 2. 1 熵增导致资源与环境危机
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 。[5 ]
上个世纪初出现了一次能源危机 ,使人们重新 用理智来思考 。此时人们惊讶地发现地球上所谓的 “取之不尽 ,用之不竭 ”的物质和能源 ,居然向人类
收稿日期 : 2007 - 03 - 21 作者简介 :沈昊婧 (1987 - ) ,女 ,河南长葛人 ,大学本科 ,主要从事资
源环境方面的研究工作 。
亮出了“黄牌 ”。人口危机 、粮食危机 、环境危机等 问题接踵而来 ,影响到人类的生存和发展 。自此 ,人 们开始反思自己的行为 ,认识到了熵――作为一种 新的发展观的重要性 。因此将熵的概念引入资源环 境的研究中 ,用熵的理论指导资源开发利用 ,将有重 要的实际价值 ,同时有利于资源环境问题的研究 。
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 [5 ] 。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 。
Key words: natural resource; environment; law of entropy grow ing; reasonable use; the law of thermodynam ics
前言
资源环境问题已日渐成为制约各国发展的重大 问题 ,资源的丰缺程度直接关系到国家的经济建设 、 社会稳定 ,是一个国家发展的基础和核心 。就世界范 围看 ,广泛存在着资源不足和环境污染的现象。在中 国尤为突出 ,这主要与中国现在所处的发展阶段有 关。随着中国工业化和城市化步伐的加快 ,资源消耗 与环境污染呈现快速增长的态势 ,资源与环境已日渐 成为制约中国现阶段经济社会发展的瓶颈 。
第 32卷第 7期 2007年 7月
环境科学与管理 ENV IRO NM ENTAL SC IENCE AND M ANAGEM ENT
文章编号 : 1673 - 1212 (2007) 07 - 0171 - 04
Vol132 No17 July 2007
对资源环境问题的思考
———熵率与自然资源的合理利用
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 。
第 32卷第 7期 2007年 7月
沈昊婧等 ·对资源环境问题的思考 ———熵率与自然资源的合理利用
Vol132 No17 July 2007
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 ,但笔者认为太阳能作为来 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 。
本文正是在这种形式下 ,试图从熵的角度来说明 在资源开发对环境造成的不可逆的影响 ,并且试从理 论上提出一些对策和建议 ,以起到抛砖引玉的作用。
1 熵律与自然资源
热力学是研究与热现象有关的能量转换规律的 科学 ,它有两条自然界普遍遵守的基本定律 。 1. 1 热力学第一定律
热一律告诉我们 ,在自然界中 ,能量既不能消灭 , 也不能凭空产生 ,它只可以从一种形式转变为另一种
Shen Haojing, Yuan Xuying
( School of U rban and Environmental Science, Huazhong Normal University, W uhan 430079, China)
Abstract: The movement system of energy and material of natural world based on the law of thermodynam ics. On the view of entropy, the action for human to exp lore and to use the nature resource can enhance the speed of entropy growing, which is harm2 ful to the environmental systemπs stableness and regulation. And the human, the main part of the intelligence - circle, can bring m inus entropy in it by our w isdom and know ledge to slow the entropy grow ing speed down. In the situation nowadays, we can take some p roper measures, stick to scientific develop ing concep t, use saving econom ic develop ing system. Form the view of entropy, we can exp lore new high efficiency energy, and make full use of the constructed function of the inverse p rocess. W e can raise the utilization ratio of the resources by know ledge imp roving.
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第 32卷第 7期 2007年 7月
沈昊婧等 ·对资源环境问题的思考 ———熵率与自然资源的合理利用
Vol132 No17 July 2007
形式 ,从一个物体转移到另一个物体 ,在转换或转移 过程中能量是守恒的。它从能“量 ”的角度说明了宇 宙中的能的总量不变 [ 1] 。若只从这个角度来看 ,似乎 并不存在能源危机 ,也不存在资源危机 。但自然界里 一切自发过程的发生还要受到热二律的制约 。 1. 2 热力学第二定律
热力学第二定律又称熵增定律 ,它是从能“质 ” 的角度说明自然界中的能是“有限的 ”,自然界中能 的传递总是从高能位向低能位 、由集中到分散 、从有 序到无序进行的 。在传递过程中消耗的一部分能量 不可逆转地成为无用能而逸散到环境中 ,造成了整 个系统的熵增 ,也使能量的可利用度降低 ,即能量 “变质 ”或 是 说“贬 值 ”了 , 因 此 熵 也 称 为“能 趋 疲 ”[ 2 ] 。自然界里一切自发过程都是向着熵增的方 向进行 ,资源的开发利用过程也是这样的 ,也就决定 了人类在经过充分而奢侈地发展后 ,资源与能源出 现危机的历史必然性 。 1. 3 自然资源利用与热力学定律的关系
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 。 2. 2.源自文库4 利用不可逆过程的建设性作用
笔者认为 ,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. 2. 2 资源开发利用过程中应用人类智慧
科学技术相当于负熵 ,它使生产过程的各个环 节趋于有序 。人类是地球上唯一拥有智慧的动物 , 应该将知识运用到生产实践中 。可以运用科学的管 理模式和开采方法 ,使资源的开发科学合理 。可以 通过技术的提高 ,采取集约化的生产经营方式 ,使资 源的利用趋于有序 ,也相当输入了“负熵 ”流 ,抑制 熵增速度 。政府可以采取相应的宏观政策进行调整 和约束 ,以达到向环境输入“负熵 ”的目的 。 2. 2. 3 提高能源的利用率
式 ,从熵的角度出发寻找高效的新能源 ,充分利用不可逆过程的建设性作用 ,通过知识技术的进步提高资源能
源的利用率 。
关键词 :自然资源 ; 环境 ; 熵增定律 ; 合理利用 ; 热力学定律
中图分类号 : X24
文献标识码 : A
Consideration about the Issues of Resources and Environment
自然界是一个封闭的系统 ,在其内部的物质运 动和转换都要受到热力学定律的制约 。人类在开发 利用资源的同时 ,通过各种生产和生活活动将储存 高能质的自然资源转变成贮存低能质的废弃物 ,使 自然界的熵增加速 ,熵增又意味着混乱度和无序度 的增加 [ 1 ] 。我们开发资源就是利用其中贮存的有 序能 ,但在利用过程中 ,不注重效率问题 ,使“高能 质 ”物质在未得到充分利用的情况下就急剧减少 , 自然资源出现了向着“低能质 ”形式演变的逆向演 化过程 ,其“负熵资本贮存 ”也就相应减少 [ 3 ] 。这样 就改变了地球的物质与能量的结构和有序状态 。一 旦我们把这种有序的结构打乱后 ,自然系统将很难 恢复 。而自然界中数量有限的不可更新资源 ,将不 能再为我们人类提供任何发展的基础 。
起初 ,地球接受太阳能 ,并通过各种转化过程将 以无序状态存在的物质和能量转化成具有结构的 、 非均匀分布的有序状态 。其结果形成了自然资源 。 自从人类诞生以来 ,一直在直接或间接的利用各种 资源 ,在利用过程中伴随的熵的变化见图 1所示 [ 1 ] 。
图 1 生产中的熵流 、物流 、能流 [ 1 ] ·172·
沈昊婧 , 袁绪英
(华中师范大学 城市与环境科学学院 ,湖北 武汉 430079)
摘 要 :自然界中的能量与物质系统的运动是遵循热力学定律的 。从熵的角度来看 ,现在人类开发利用资源的
方式 ,使系统熵增加速 ,不利于环境系统的有序和稳定 。而人类作为智慧圈的主体 ,是可以通过智慧和知识 ,向
其输入负熵 ,以延缓熵增速度 。目前的形式下 ,可以采取适当的对策 ,坚持科学的发展观 ,实行节约型经济模
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 ,各种资源的人均储量大多都低 于世界平均水平 。因此 ,资源的合理利用对于中国 来说就格外重要 。 2. 2 可采取适当的解决措施 2. 2. 1 开发利用高效的资源和能源
笔者认为 ,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资源或能源有较高的利用
2 掠夺式 开 发 和 粗 放 式 经 营 导 致 熵 的 急 剧 增长
人类处于一定时空范围的生态经济系统中 ,其 中的能流和物流遵循热力学定律 。只有遵守和顺应 规律 ,人类才能持续地取得丰富而又合乎需要的资 源和能源 ,实现可持续发展 。人类的经济系统是开 放的系统 ,它需要不断地与周围的其他系统进行物 质和能量的交换 ,同时也进行着熵的交换 ,正如图 1 所示 [ 3 ] 。
粗放式的经济发展模式的出现也有其历史必然 性 。十八世纪以后的机械论时代 ,人定胜天的思想 支配着人们的生产活动 。这些给人类社会带来巨大 的进步 ,同时也埋下了忧患的种子 ,从此人与自然之 间只有征服与被征服 、统治与被统治的对立关系 [ 4 ] 。 2. 1 熵增导致资源与环境危机
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 。[5 ]
上个世纪初出现了一次能源危机 ,使人们重新 用理智来思考 。此时人们惊讶地发现地球上所谓的 “取之不尽 ,用之不竭 ”的物质和能源 ,居然向人类
收稿日期 : 2007 - 03 - 21 作者简介 :沈昊婧 (1987 - ) ,女 ,河南长葛人 ,大学本科 ,主要从事资
源环境方面的研究工作 。
亮出了“黄牌 ”。人口危机 、粮食危机 、环境危机等 问题接踵而来 ,影响到人类的生存和发展 。自此 ,人 们开始反思自己的行为 ,认识到了熵――作为一种 新的发展观的重要性 。因此将熵的概念引入资源环 境的研究中 ,用熵的理论指导资源开发利用 ,将有重 要的实际价值 ,同时有利于资源环境问题的研究 。