从热力学第二定律看绿色发展

李 强 卢笑笑

(淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

1 熵增原理的建立

1824年，卡诺定理的提出以及卡诺对所有热机效率的证实{n=(T1-T2)/T1(T1：高温热源绝对温度，T2：低温热源绝对温度)}为热力学第二定律的建立奠定了扎实的基础。1850年，克劳修斯(Clausius)在文章中指出了卡诺热机中热传递单方向的正确性，但也否定热没有转换这一理论并将其表述为：热不可能从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。1851年，开尔文(W. Kelvin)在克劳修斯表述的基础上将热力学第二定律进一步定义为：不可能从单一热源吸收热量使其完全转化为有用功而不产生其他变化，开尔文随后指出了热力学第二定律的本质特征是在整个大自然中，热具有不可逆性的具体结果，指明了实际自然发展的进程方向。

克劳修斯通过对卡诺循环理论的应用，推导出在热力学中，任意循环的并且可逆的热温熵之和恒为零，由此，熵这一概念开始被广泛认知。克劳修斯指出，系统的熵的增量dS与其吸收的热量 dQ和系统温度之间存在下列关系：

熵函数是状态函数，只跟始末的状态有关，与途径等无关。克劳修斯通过进一步研究发现，对于不可逆的过程，熵变并不为零，由此推断出，在一个封闭的系统中，是绝对不可能发生熵变小于零的过程，并用数学的具体形式将其表达出来，即克劳修斯不等式[1]。

熵判据来源于上述不等式在孤立系统中的应用。如果一个与外界既没有能量交换也没有物质交换的孤立系统，从克劳修斯不等式中可知，由于孤立系统与外界没有热量交换，δQ为零，所以，可逆过程熵不变，而不可逆过程熵增加，熵减少的过程是绝对不可能实现的，这就是热力学中著名的熵增加原理[2]。可以表述为：一个孤立系统的熵永不减少，如果过程是可逆的，则熵的数值不变；如果过程不可逆，则熵的数值增加。自然界中任何自发过程都是不可逆过程，因此一个孤立系统的自发过程只有沿着熵增大的方向才是实际可能产生的。克劳修斯将熵增加原理应用到整个宇宙中，把宇宙当作一个孤立系统，根据熵增原理，整个宇宙的熵会不断增加，当熵达到最大值时，整个宇宙处于热力学平衡态，宇宙中温度梯度消失，压力变得均匀，所有的能量转化都停止，此时的宇宙处于一种热寂的状态，称为宇宙“热寂论”。

后来奥地利物理学家玻尔兹曼从从统计物理出发，将熵的定义与统计物理联系起来，给出了熵的统计定义，对于满足玻尔兹曼分布的粒子，即粒子是可以分辨的，每个状态上所能容纳的粒子数不受限制，此时熵的表达式为：S=KlnΩ

其中K为玻尔兹曼常量，数值为1.38×10-23J/K，Ω为玻尔兹曼分布微观状态数，由熵的统计定义式可以看出，系统的微观状态数越多，熵值越大。

2 耗散结构理论

1969年，普利高津在平衡态热力学基础上，将开放系统的概念引入热力学第二定律，为耗散结构的建立创造了良好的开端。在之前的热力学认知中，一般认为稳定有序的结构不会发生在原本就混乱无序的非平衡研究系统中，但随着科学的发展，这种绝对的划分被发现了其错误之处，普利高津等人在大量的研究推论后指出，无论是有序还是无序，都是紧密相连的。提出在一个开放系统中，当外界条件改变并且超过了特定阀值后，这一量变就有可能导致质变的发生，此时，各子系统会呈现一种相互协作的关系，从而使无序变得有序成为可能。普利高津将这种在非平衡状态的先决条件中存在的有序结构称作耗散结构[3]。

人类社会是基于能量交换而存在的非封闭系统，同外部的物质、能量的交换使其发展成能够保持在一个长久可控的状态。耗散结构理论首次将熵增理论拓展到近平衡态状态下的最小熵产生原理[4]，这是由熵增理论扩展而来，这一理论的提出极大地丰富了人类自然与科学之间的统一关系，为后来的科学家提供了新的思考和研究途径，从而进一步强大了认识世界的动力。立足于耗散结构，将负熵流源源不断地引入以平衡不断增长的正熵，从而构建一个稳定绿色的生态环境，使系统由无序状态转变为有序状态。当系统从外部导入的熵为负值且小于系统自身因发展而产生的熵值变化量时，因为外部环境有负熵流的涌入，这样就能消除了熵增，同时，出现了多余的负熵，这样就会自然而然的会使系统中会出现不断增长有序的趋势。

3 资源型地区发展现状

资源型地区不可避免存有开发过度、充分使用有限资源的问题。在不断发展过程中，熵定律的作用被忽视，没有认识到矿物资源消耗转化过程中的熵增现象，从而将环境系统推向负方向发展[5]。

随着资源型地区的加速发展，社会、环境等方面的问题愈演愈烈。由于煤矿长期、过度、无序的开采，使生态环境受到很大的破坏，森林覆盖率锐减，水资源严重流失，地质严重塌陷。此外，生态环境的破坏也危及到人和动植物的栖息地和生存。例如，气候变暖威胁到海龟的后代，因为巢温严重影响到性别的确定：最冷的位置产出雄性后代，而较温暖的位置产出雌性后代。

随着我国生态文明建设的推进，“绿色发展”[6]思想观念开始成为各界关注和研究的重点，我国相关部门也建立了绿色社会的体系，对多个城市进行了实证研究：在《基于熵理论和耗散理论的资源型地区绿色发展评价研究》[7]中周女士通过对数10个资源型省份出现的产能过剩和生态的严重破坏等一系列问题的研究，揭示了多数资源型地区环境保护意识弱、有限性资源耗损过高、美丽的生态环境遭到严重破坏的情况。

在发展过程中，资源型地区随时都与外界保持着信息的交流和能量的交换。从外部环境得到有效的负熵流[8]是满足,绿色发展的美好趋势的有效途径。为保证具有自身的正常性工作，每一个社会系统需同外界进行物质交流，在其发展过程中就会伴随着自然资源的不断消耗，因此，需处理好社会与自然之间的关系。

当系统中突然出现了一些无法避免的熵增时，在保证存在外部条件相互交换的条件下，外部系统需吸收内部有效能来使系统负熵提高，使社会从无序走向有序。资源型地区在经济增长的过程中不断同外部环境进行交换，随着正熵的有序提高，这种相互作用促使系统中政治、经济、文化、环境等方面出现涨落现象，使系统的有序发展被改变，趋于无序变化[7]。

4 热力学第二定律对环境发展的启示

自绿色发展概念提出后，人们开始以各种理论和模型去描述能源的利用。通过上述对耗散结构定理的解析和深究，能够建设出模型来模拟判断社会环境的风险形式。当负熵流远大于熵增增量时，社会系统就形成了耗散结构，通过考虑熵增和负熵流两方面因素来加强社会风险管控，使其向安全态势转化[9]。社会系统态势转化的关键在于不断加大负熵值，并尽可能减小系统正常运行所产生的熵增。热力学第一定律指示了能量是守恒的，社会系统在进行以新型产业推动绿色产业发展,以可持续发展为根本经济理论时，必须达到“减量化、再利用、资源化”的要求，即“3R”原则[10]。就本身的独特物质而讨论，其重复使用和再次的利用，我们都是构建在吸取社会环境中的独特有用功上，社会系统本身是一个开放系统，其自身的负熵流产生原因是将其高熵物质排入到自然生态系统中，像这种不可逆过程一定会使生态环境遭到损耗。

系统想达到生存和发展就必须在生产过程中注入能量，产生有用功，资源型地区企图达到持续发展的目的就必须加速能源使用。而自然生态系统并没有取之不尽，用之不竭的能量，能源的循环利用和高效利用是人类能够长久发展的基础，没有循环和高效作为基础，能量的利用就只是熵增的过程。张任平用有机朗肯循环效能分析得出在节能减排和绿色发展中，中低温余热的利用扮演着非常重要的角色，其中60% 的余热可被回收利用，使社会系统熵增减小[11]。

5 推动绿色发展的技术建议

在当代大力推行改善生态环境的进程中，政府不断发力，成为改善环境中不可或缺的中坚力量。首要事务是产业结构的转型，在加强各地区间交流合作的同时，应加大国家的投入，放宽发展渠道，最大程度激发资源型地区的创新活力与节能减排，以助力新动能的转换为根本，在提升国家软实力的同时，不能忘记推动我国经济的可持续发展[12]。加强环境治理，在推动政策行进的同时加强宣传力度，多管齐下，使社会系统的熵增趋于最小化发展，使人类生态文明朝有序化方向行进。

同样重要的是优质的产业结构分布，过于依赖资源损耗大的产业必然会导致社会产业结构的无序化发展。推动产业结构的转型升级，加速绿色产业的发展，两者之间相辅相成，齐头并进，才能逐渐降低熵增过高给现代社会造成的影响。绿色建造是推进产业可持续发展的有效途径[13]，首先，作为国家基础产业，加强绿色建造能够从源头减少熵的增加；其次，该产业的广泛性使得负熵流不断引入，使产业结构不断蓬勃发展。

人们在追求美好生活、经济发展的同时，要理智地减少生产和经济发展中的熵增。提倡节约的美德，节约能源、资源。对有些资源和能源，如石油，煤，天然气等这些不可再生的的化石能源，从长远来看，国家应限量开采，减少消耗。应充分开发新型清洁能源如太阳能、生物能、氢能和海洋能。另外，我们每个人要尽力减小自己的熵增，只要自身的行为使得地球这个生态系统向着有序方向发展都是在减少自身的熵增。小到节约用水、用电，保护地球上有限的资源都是在减少自身的熵增。

6 结论

本文通过熵增原理和耗散结构理论分析了我国资源型地区绿色发展的现状。当代的绿色发展向人们强调了生态可持续发展的重要性，其中主要过程便是根据自身国家的国情，用来组成独有的生态环境循环体系，不断提高保护环境设备的现代化科技水平，主张全面落实社会主义独有的可持续发展型环境保护战略目标。资源型地区的可持续发展是要实现在生产过程中所有资源的最大利用化以及生产废弃物的最小量化，不只是单纯的环境治理问题，而是涉及社会系统中的制造体系、产业结构及分工等问题的战略性观点。