熵世界观与可持续发展

数目即热力学概率。分子运动越剧烈，分子的无序度越大，熵越大。所以熵是系 统内分子热运动无序性或混乱程度的一种量度，这就是熵的微观意义[5]。 量子力学的创始人薛定谔(Schrodinger) 通过进一步对玻尔兹曼熵的深化， 认 为玻尔兹曼关系式中 作为热力学概率代表着混乱无序的程度，那么其倒数 1 同样也代表混乱无序程度，而 1 对数是 对数的负值，所以玻尔兹曼关系式就 变为 S k ln 1 ，这就是负熵的概念[6]。负熵是有序的量度，它的引进抵消能 量在转化传递过程产生的熵，改善能的“品质”和分布的有序度。 20 年来, 熵概念大有广延之势, 形成了各种门类的广义熵。 比如， 农业熵、 电力熵、信息熵等，这些就是从狭义的热力学熵统计外延至其它自然科学、社会 科学领域。借用广义熵(S)的定义，能源利用的熵变 S 定义为：
熵世界观与能源的可持续发展
摘 要：伴随着经济社会的飞速发展，人类面临着严重的能源危机，不仅是能源数量
的减少，也包括人类与大自然关系急剧恶化所带来的环境问题。本文在熵世界观的指导下， 将熵与能源结合起来， 分析了当代能源中不同种类能源的利用情况， 从熵与能源的关系入手， 针对不同能源的利用情况提出相应的能源可持续发展措施，深化了能源的可持续发展目标。 在此基础上，对不同种类的能源发展趋势及能源的可持续发展所要面对的问题进行了思考， 对能源的可持续发展战略有一定的现实指导意义。
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地球能源的数量有限且分布不均， 这就需要我们认识到能源可持续发展的价 值。我们为了追求自身利益时，对大自然的过度的利用，造成了资源的浪费，环 境的污染。大自然的承载能力是有限的，地球资源也不是取之不竭的。我们对能 源的不合理开发，造成能源的急剧减少，环境污染严重，这些都是熵增的表现。 比如，树木的滥砍滥伐不仅造成水土的大量流失，光合作用的减弱，使得环境中 熵增大，有序度降低；煤炭、石油这类化石能源的开采、燃烧，不仅加速减少了 它们的储备量，也带来严峻的环境污染。地球环境系统在正常运转的状态下有可 以承受的熵的范围，而熵增加到我们系统难以承受的程度即最大值时，能量也就 全部变为不可用能，我们就会陷入了“能源危机”的可怕时代。所以我们要从思 想上深刻认识地球资源的宝贵。 从熵出发重新定义社会的价值观，正视因熵增加所带来的危机。虽然我们生 活在能耗减少的社会， 但是正确的消费方式和观念可以为我们正确认识和处理自 己与自然环境的关系提供世界观和方法论，即通过合理措施、手段减少熵的增加 使得我们进入一个低熵社会有利于推动社会发展进步。 熵世界观是对人与大自然 的全新思索：人类必须适应大自然，爱惜大自然，保护大自然，要形成有限、代 价、节约、共存、适应等思想。真正将“熵” 、 “能源” 、 “可持续”这三者统一结 合起来，才有可能让熵危机、环境危机、能源危机解除。
关键词：熵；能源；可持续发展
引言 自工业革命以来，因人类人口数量的急剧增长，我们的经济、科技水平不断 提高，我们对于能源的需求也日益增长[1]。不断恶化的能源、环境问题使得我们 面临着能源危机， 于是世界各国都深刻的意识到我们必须停止对能源掠夺性的索 取，要节约能源，大力开发利用可再生能源，减少对于不可再生能源的过度利用 已经成为世界各国的共同目的[2]。所以如何在人口高度密集，能源相对匮乏的条 件下高效合理的利用能源，实现能源的可持续发展变成世界各国关注的焦点。 熵是能量不可利用程度的标志，因此熵与能源的利用有非常密切的联系。熵 增加意味着能源在利用过程中有效利用能量的减少， 这就形成了一种新的熵世界 观。本文从熵世界观入手讨论对人类生存和发展中面临的能源利用问题、能源可 持续发展问题在一定程度上可以规范了我们的思想、行为[3]。所以，从熵与能量 角度出发，解决能源利用问题，实现能源的可持续发展有着非常重要的作用。
1 熵形成的一种新的世界观 1.1 熵 德国物理学家克劳修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius)从卡诺热机的效率出 发，提出熵的定义， S S 2 S1
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dQ ，其中 S 2 和 S1 是代表在两种不同状态下 T
的熵，所以熵是一个表示状态函数的量，与积分路径无关；同时可以证明能量耗 散与熵变成正比，所以熵增加意味着能贬值。能量利用过程是从有效到无效，可 利用到不可利用的过程，能量可利用程度随着熵的增加而减少，熵就代表能量在
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核能 6% 天然气 24%
水电能 6%
石油 35%
煤炭 29%
石油
煤炭
天然气
核能

水电能
图 2.1 2008 年世界一次能源消费比例结构图
一次能源根据能否再生，分为可再生能源和非再生能源。可再生能源指一些 能够循环再生的能源，比如太阳能和生物能等。太阳能是太阳内部连续不断的核 聚变反应过程产生的能量。太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于 500 万吨煤， 在利用过程中不会产生环境污染，所以太阳能是取之不尽的清洁能源。我们以前 利用太阳能取暖，利用太阳能干燥衣物和农副产品，利用太阳能取火等。生物能 是以生物为载体将太阳能以化学能形式贮存的一种能量， 它直接或间接地来源于 植物的光合作用，其蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就相当于目前人 类消耗矿物能的 20 倍。秸秆作为农作物生产的副产品，富含大量有机物，是一 种多用途的生物能源。 我们利用秸秆搭建房屋来遮风避雨、 生火做饭、 取暖生热、 喂养牲畜等等。但是随着秸秆数量的增多，我们生活水平的提高，秸秆作为传统 生活燃料的需求减少，人们将大量的无用秸秆随意焚烧丢弃。焚烧秸秆就会产生 大量废气物如二氧化硫、二氧化碳、微小颗粒等，它们会带来环境污染，同时在 焚烧时发生火灾的几率非常大，不仅危害我们财产安全也危害我们的生命健康。 不可再生资源是指人类开发利用后， 在相当长的时间内， 不可能再生的自然资源， 主要指自然界的各种矿物、岩石和化石燃料，例如泥炭、煤、石油、天然气、金 属矿产、非金属矿产等。化石能源作为不可再生的一次能源，包含煤炭、石油、 天然气。 石油是工业的血液， 煤炭是工业的粮食。 化石能源的利用提高经济效益， 加速了人类发展，但是由于过度的开发利用，造成化石能源总量急剧减少，将面 临着能源枯竭的危险。以煤炭为例，首先在开采煤炭时，造成地球生态环境破坏 出现岩层的移动、地表的破坏等对大自然中各种生物的生存造成了威胁；其次， 在煤炭的利用时也造成了危害。比如燃烧煤炭发电是煤炭利用的主要方式，它的 基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧加热水使成蒸汽，将燃料的化学能转变成热 能， 蒸汽压力推动汽轮机旋转， 热能转换成机械能， 然后汽轮机带动发电机旋转， 将机械能转变成电能。煤炭在每一个转换过程中利用率都比较低，燃烧时生成大
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的利用意味在达到等价值前提下，使用相对丰富的、对环境负作用小的能源，即 投入的能量较少，那么熵增也就少，甚至还可以得到负熵的产出，所以是减缓熵 增、实现能源可持续的重要措施，比如太阳能的利用。太阳能热发电是利用热能 来驱动汽轮机发电，即太阳能转换为电能的利用，相当于我们在开放系统中引入 负熵。太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术，它 与煤炭加热过程相比，熵值会有明显的不同。 如果一台热水器市场价格为 11000 元人民币， 每秒可以能够接受的太阳能量 为 1244KW，热传递效率 60% ，在正常工作 2100 小时，计算其熵变化量。标准 煤价格为 500 人民币每吨，能量值为 C煤 29.27 KJ
2 能源的分类及利用 人类能源的利用经过了从薪柴、煤炭、油气时代的演变，能源结构也随之不 断调整。能源不仅带给人类社会经济飞速的发展和制约，也对资源环境有着深刻 影响。 当代能源可以根据能源加工程度分类为一次能源与二次能源。 一次能源指在 自然界中现存的、未经加工转换的能源，如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、 水能、地热和核能等。一次能源作为人类社会主要广泛利用的能源，在能源消费 结构中所占比例较大，影响着人类社会经济发展水平。图 2.1 为 2008 年世界一 次能源消费结构比例图，从图中可以看出，煤炭、石油、天然气是我们主要的消 费能源[7]。二次能源是指由一次能源加工转换而成的能源产品。如原煤加工产 出的洗煤；由原油加工转换产出的汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油 气等；由煤炭加工转换产出的焦炭、煤气；由煤炭、石油、天然气转换产 出的电力等。
利用过程中的损失部分，熵就是不可利用能的量度[4]。 1872 年， 奥地利物理学家玻耳兹曼(Ludwig Boltzmann)第一个深化了克劳休 斯熵的概念。他从统计物理学角度出发，定义了熵 S,得到玻尔兹曼关系式
S kln ，其中 k 是玻尔兹曼常数， 是系统某一宏观状态所对应的微观状态的
S
投入相当标煤的能量 系统产生的能量或对外做的功 Q1 Q2 投入相当标煤的质量 m
(1.1) (1.2)
其中 投入标准煤的能量 Q1 系统产出的能量 Q2 为了方便将过程中投入的能量换算成与之相当的标准煤。 1.2 熵世界观
19 世纪中叶时期，我们的普遍观念认为一切物质能量都是守恒不变的，物 质的一切运动都是无限循环的，但是伴随科技迅猛发展，对世界的更深入了解， 美国学者杰里米· 里夫金与特德· 霍华德于 1981 年发表了 《熵： 一种新的世界观》 , 此书在熵增原理的基础上提出了“熵”世界观，揭示了我们人类在发展过程中面 临的环境问题的本质原因。 熵世界观推翻了机械论世界观对于物质持久增长的看法，认为物质资源有 限，我们生活在以不断耗尽非可再生能源为基础的工业时代，会带来严峻的能源 问题，而这种经济方式需要转变为一个新型的、以可再生能源为基础的时代。 正如时间永不停息的前进，能量由有利用价值变为无利用价值，熵也朝着增 加的方向变化。无效的能量也就是我们所说的污染。熵的增加代表一切由可利用 变为污染的过程，也代表着生态环境迫害严重的过程。
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量的大气污染，如燃烧时产生的二氧化硫、一氧化氮是造成了酸雨的主要原因。 它危害土壤、污染水、腐蚀建筑、影响人体健康等。二氧化碳为主的碳排放，造 成自然界碳循环失衡，是导致温室效应的黑手，是全球气候变化的元凶。如果全 球变暖，破坏了生物链、食物链，使得地球上各种生物会受到威胁，地球南北两 极的冰山融化，极地缩小，海平面上升，雨量的增多极有可能低地被淹，自然灾 害加剧等。 总体来说，能源的广泛深入的使用促进人类社会的发展,也使人类的生存面 临严峻的形势。 能源问题已经成为影响经济社会发展的重要问题, 所以我们每个 人都应该认识到能源带给我们的不仅是机遇也是挑战， 我们应该把能源问题当作 我们发展的重点，努力减少能源在使用过程带来的不利因素，使其更有价值的为 我们所用。 3 熵世界观指导下实现能源可持续发展 3.1 熵对能源可持续的分析 能源利用过程中会无可避免的产生“废弃物” ，如燃烧煤炭产生的废渣、废 气等。这些“废弃物”就代表着能源在利用过程中能量做功能力的丧失，也就意 味着能的贬值。 “废弃物”的逐渐积累，系统无法在短期内吸收消化，就需要我 们投入更多的能量处理，所以“废弃物”是产生巨大的熵增的原因。 我们在能源合理利用过程中尽量减少熵的增加，甚至引入负熵，这就要求我 们从下面两个方面考虑。第一，要改进我们的能源利用设备，提高能源的效率， 通过控制“废弃物”来控制熵的增加，如热机效率的不断改进。第二，使用低投 入高收获的能源， 如可再生能源的利用中使用太阳能发电代替煤炭发电减少熵增 加，生物能利用产生的负熵。 3.2 能源可持续利用的措施 3.2.1 不可再生能源的利用 不可再生能源中化石能源作为主要的消费能源占我们使用能源总量的百分 之八十以上，对我们的人类的发展起着决定性作用。然而据估计我们化石能源中 煤炭的量大约只可开采 220 年，石油的量大约可开采 40 年，天然气的量大约可 开采 60 年[8]。所以我们必须认识到不可再生资源数量有限，要对其进行可持续 利用。主要从以下几个方面实现不可再生能源的可持续利用： 首先，使用可再生能源替代不可再生能源。可再生能源的利用优化了能源结 构，减缓了对不可再生能源的消费速度，同时与不可再生能源相比，可再生能源