浅谈热力学第二定律在节能环保中的作用

高金海 赵静 叶娜

【摘要】在过去的几十年里，由于科技和经济的发展我国进入一个工业化、现代化的进程，使我们的收入增加，生活水平提高，但是也带来了很严重的后果能源的浪费和环境的污染日益加重。随着我们对热力学定律——特别是热力学第二定律的知识的增加，节能环保的观念日益强烈，热力学有助于我们了解自然怎么运作，了解人与人之间、人与自然之间该怎样和谐相处，有助于我们构建一个胡锦涛主席倡导的和谐社会。

【关键词】热力学第二定律 节能环保 和谐社会

【基金项目】河南省科学技术成果项目（项目编号：教高豫科鉴委字〔2015〕第569号）；河南省高等学校重点科研项目（项目编号：16A140039）。

【中图分类号】G647 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）13-0285-01

当前，全球资源紧张，气候变暖对人类的生存和发展形成严峻的挑战。提倡节能环保，发展低碳经济已经是大势所趋。节能环保不仅是地区、企业的问题，更要求所有公民提升环保意识，而推广并提高公民的环保意识正符合认识的本质及其发展规律。随着气候变化对人类生存与发展的挑战日益突出，世界各国的压力越来越大。目前，节能环保是全世界最热门的话题。但是人们很少把节能环保和热力学联系起来。因为能量和熵是所有自然过程，所以我们能在许多科学中发现热力学现象和热力学规律。从第二定律的定义和本质出发，指出热力学定律中事半功倍的相对概念，还有就是衡量可逆度的重要性。另外，热力学第二定律对温室效应的影响，从引起温室效应的各个方面来解决法案。文中还介绍了现代农业与热力学第二定律之间的联系和改善目前最大的土壤问题的方法，还提到各种自然环境与热力学第二定律的联系，还有其引起的原因和尽量避免的办法。最后在文章中我还畅想了一下热力学第二定律在人类未来生活中的所起的作用，以及人们运用第二定律解决现在难题的办法。

一、热力学第二定律的启示

近年来自然灾害频繁发生，08年的四川地震以及世界各地的海啸、火山爆发等。这些都警示人们地球已经超负荷已经打破了它原来的平衡模式。

在08年地震发生以后科学家就进行了各种推测，有些人认为是三峡大坝的修建引起地球结构受力不均匀引起的，有些认为是地球的热应力是地球某些脆弱的部分发生错位或断裂引起的地震。各种说法层出不穷，我个人认为这是因为热力学第二定律给我们的警示，热力学第二定律说明的是一个方向性和不可逆性，近年来大量的工业开采以及石山的炸裂造成了地球的不平衡发展打破了它原来的平衡模式，从而地球发怒给人类敲响警钟。火山的频繁爆发也与热力学第二定律密不可分，火山活动是地球内部受热不均匀造成的。海底的地震和火山喷发是引起海啸的主要原因。热是一切地质活动的根源和动力。

这些自然现象就是热力学第二定律告诉我们，能量是从高到低发展的是不可逆的。每次的自然灾害就像地球的哀嚎，所以我们要从现在开始让地球走一走回头路，可以让人类更好的生活下去。

二、现代农业和热力学第二定律

农业生产的本质就是自然界的光合作用。光合作用的本质就是叶绿素吸收太阳光能，同时把空气中的二氧化碳和土壤中吸收的水经过分解合成的有机物质葡萄糖，并释放出氧气。光合作用是地球上一切生命的根本源泉，它决定了农业生产的本质。所以，农业生产不能违背热力学定律，应该遵循这一规律为人类可持续发展提供条件。

一提到现代农业相信人们的第一反应就是欧美的石油化学农业，但是我们今天说的不是这个农业生产模式。虽然这种农业模式高产但是人们没有看到它高产背后的高投入，其实这种农业模式是掠夺式发展，它是高强度机械化和使用大量的农药化肥破坏了土地原来的循环模式，打破了它的自然循环过程。热力学第二定律是一个熵增加定律，大量的使用化肥农药使土壤的熵值快速增加加速了土地的破坏。所以现代农业应该是减缓熵增加速度的发展模式。

中国传统的农业发展是精耕细作的农业制度土地利用率是欧美国家的几倍。我国讲究的是可持续发展而不是高强度的掠夺，我国古代就提倡和谐统一的思想所以中国文明源远流长。日本的农业家福刚正信先生提出的“自然农业法”就是受到老子的思想启发。《道德经》上说“万物并作，吾以观复。夫物芸芸，各复归其根，归根曰静，静曰复命，复命曰常，知常曰明。”这就是老子的循环思想。在农业耕种中中国就是遵从了这个自然循环的法则才有了中华五千年的历史文明。富刚正信根据这一思想提出农业中不施化肥让土壤中的微生物自己来维持平衡。

以上生产方式就是通过减少农药、化肥的使用来控制熵的急剧增加，让农业回到原来农业耕种模式的基础上再提高粮食产量。像人类耕耘的其他领域一样，农业领域是我们运用热力学定律，特别是热力学第二定律给予关注的领域。现代农业就是要向着控制熵增加的方向发展。实现中国古代传统农业：即天、地、人和谐统一的观点。

三、节能与热力学第二定律

热力学第二定律效率∈既考虑了能的数量，又考虑了能的质量，比∈明确合理，且最大值为1，便于作综合用能系统和各类热能设备相比较。热力学第二定律效率是从经典静力学的角度考虑的，而未考虑技术经济以及热动力学有关的许多理论和实际问题，从技术上考虑，∈接近1是可能的。合理的用能原则是使能源的质量与用户需要的质量相对应，下面举两个例子说明一下。

如采暖，尽可能不直接由燃料燃烧来供应，∈告诉我们，节能工作要特别注意∈小的场所，理论上节能潜力很大，其效率可提高更多，但实际上却不是很理想。还有火力发电厂的效率是目前一次能源利用中较高的，效率平均已达到33%，而且输出的是高质量的能。但和最高标准相比，火力发电仍有较大的潜力。如热电合供，效率可达40～45%.为了充分发挥有机矿物燃料资源的利用率，火力发电技术仍有待提高。从这些可以看出热力学第二定律效率告诉我们。节能的潜力很大，开展节能工作仍需努力。

我们还可以从计算的角度来分析节能与热力学第二定律的关系，我们用一个能量的质量函数有效能来表示。根据有效能的定义，热流Q的有效能为

式中：Q代表热传递，T代表热源温度，T0代表环境温度，△S代表过程熵变上式即为热力学第二定律的一种表达式。再有热力学第二定律普遍式，对隔离体系

上式说明，熵变是不可逆的，一切实际过程总是向着熵增大的方向进行。

显然，熵变等于过程中熵的产生。由于熵是无效能的度量，熵产生意味着无效能增加，有效能减少，能的质发生变化。因而热力学第二定律可表达为：体系有效能损失=体系不可逆性，由此可知，减少过程的不可逆性就能减少有效能损失，这就是节能。

总之，人们谈起节能时首先想到的是热力学第一定律，而对如何从热力学第二定律的原理出发考虑人们并不熟悉。通过以上介绍我们应该了解热力学第二定律对节能的重要性。我們应该重视热力学第二定律并把它运用到我们的日常生活中。