北京大学：《人类生存发展与环境保护 Development of Human Society and Environmental Protection》教学资源_期中论文_从热力学第二定律看环境问题

从热力学第二定律看环境问题 宫照恒00613049 摘要应用热力学第二定律,阐释了环境污染的本质是熵的增加,并寻求解决污染的途 径。环境问题的热力学本质是,总体上生态系统的负熵小于人类活动的正的熵增,导致了 污染及其他环境问题产生。通过熵増原理对末端治理、循环经济和凊洁生产进行比较,认 为清洁生产是目前最符合熵増最小的原则的一种方案。另外提出了其他一些降低熵增的措 施,包括提髙资源利用率、増加凊洁能源的使用比例、控制人口、从地球外部引进负熵 采用科学技术。 关键词热力学第二定律熵环境污染经济模式 随着科学技术的不断进步,人类社会的经济水平快速増长,能源消耗也随之快速增长。 与此同时带来的是人类生存环境在不断的恶化,其中的主要原因之一就是忽视了热力学第 二定律—一熵定律的作用,没有认识到化石能源等矿物资源消耗转化过程中的熵流的无限 增加,对地球环境系统向负的方向发展的巨大推动作用。人类要发展,要进步,就必须正 确的认识熵与环境保护之间的关系 1热力学第二定律和熵 在19世纪,人们曾考虑制造一种能从单一热源中不断吸取热量,并把它全部转化成 功,而不产生其他后果的机器。在对这一问题的实践和思考当中,人们总结出了热力学第 二定律:不可能从单一热源取出热使之完全变为功,而不发生其他变化。或者表述为:不 可能把热从低温物体传到高温物体,而不引起其他变化 熵是热力学第二定律中最重要的函数,定义为可逆过程的热效应与其热源温度的比值。 熵的物理意义是:系统内部质点运动混乱程度的物理量。这就是说,一个体系,其运动质 点越混乱,无序化越高,它的熵值就越大。 热力学告诉我们,在孤立系统中,系统的熵值永不减少,对于可逆过程熵不变;对不 可逆过程熵是增加的。这个定理给出了判断过程演化方向和限度的准则:在孤立系统中进 行的一切不可逆过程都向熵增加的方向演化,直到“熵”函数达到最大值为止。 2熵增与污染物产生 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。 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

从热力学第二定律看环境问题 从 宫照恒 00613049 0 摘要 应用热力学第二定律，阐释了环境污染的本质是熵的增加，并寻求解决污染的途 径。环境问题的热力学本质是，总体上生态系统的负熵小于人类活动的正的熵增，导致了 污染及其他环境问题产生。通过熵增原理对末端治理、循环经济和清洁生产进行比较，认 为清洁生产是目前最符合熵增最小的原则的一种方案。另外提出了其他一些降低熵增的措 施，包括提高资源利用率、增加清洁能源的使用比例、控制人口、从地球外部引进负熵、 采用科学技术。 采 关键词 热力学第二定律 熵 环境污染 经济模式 随着科学技术的不断进步，人类社会的经济水平快速增长，能源消耗也随之快速增长。 与此同时带来的是人类生存环境在不断的恶化，其中的主要原因之一就是忽视了热力学第 二定律——熵定律的作用，没有认识到化石能源等矿物资源消耗转化过程中的熵流的无限 增加，对地球环境系统向负的方向发展的巨大推动作用。人类要发展，要进步，就必须正 确的认识熵与环境保护之间的关系。 确 1 热力学第二定律和熵 热 在 19 世纪，人们曾考虑制造一种能从单一热源中不断吸取热量，并把它全部转化成 功，而不产生其他后果的机器。在对这一问题的实践和思考当中，人们总结出了热力学第 二定律：不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他变化。或者表述为：不 可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。 可 熵是热力学第二定律中最重要的函数，定义为可逆过程的热效应与其热源温度的比值。 熵的物理意义是：系统内部质点运动混乱程度的物理量。这就是说，一个体系，其运动质 点越混乱，无序化越高，它的熵值就越大。 点 热力学告诉我们，在孤立系统中，系统的熵值永不减少，对于可逆过程熵不变；对不 可逆过程熵是增加的。这个定理给出了判断过程演化方向和限度的准则：在孤立系统中进 行的一切不可逆过程都向熵增加的方向演化，直到“熵”函数达到最大值为止。 2 熵增与污染物产生 熵 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。 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。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 髙能质”的自然资源转变成贮存“低能质”的废弃物,自然资源出现了向着“低能质 形式演变的逆向演过程。如果在利用过程中,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,就会改变地球的物质与能量的结构和有序状态。一且这 种有序的结构被打乱后,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 根据熵増加原理,孤立系统的熵值是増加的,即系统的熵值是变得混乱和无序的。针 对人们生存的环境而言,人类的物质生活越富裕,经济水平越高,能源开采和利用越多, 对环境影响越大。它打破了环境原有的自然规律和平衡,在人为的影响下开始变化或变坏 将重新达到又一个新的平衡,这个过程是熵增加的过程。由于“平衡态就是对应最大熵” 当熵值达到最大时,系统的混乱程度达到极限。可想而知,当人类和环境达到这种程度时, 后果将不堪设想。所以,环境保护的意义就在于此,需要人为的控制和瑊缓系统熵值变得 无序的过程,使人们赖以生存的空间得到保护。 3各经济生产方式之间熵的比较 31末端治理 末端治理是指在生产过程的末端,针对产生的污染物开发并实施有效的治理技术。末 端治理有利于消除污染事件,也在一定程度上减缓了生产活动对环境污染和破坏趋势。 然而,末端治理往往不是彻底治理,而是污染物的转移,如烟气脱疏、除尘形成大量 废渣,废水集中处理产生大量污泥等。这些污染物所含的高熵值并不会被降低,反而由于 污染物治理过程中“高能质”物质和能量的输入,使得整个生产过程中的总熵增加 32循环经济 循环经济即物质闭环流动型经济,是指在人、自然资源和科学技术的大系统内,在资 源投入、企业生产、产品消费及其废弃的全过程中,把传统的依赖资源消耗的线形增长的 经济,转变为依靠生态型资源循环来发展的经济 循环经济期望通过资源高效和循环利用,实现污染的低排放甚至零排放。然而循环经 济中的零排放不是指不排放污染物,而是指将这一生产环节产生的污染物作为下一生产环 节的原料加以循环利用。在这一过程中,资金、技术的投入是必须的,甚至还要引入一些 高能质”的物质。这些都为生产过程的熵增做出了贡献 33清洁生产 清洁生产是指不断采取改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设 备、改善管理、综合利用等措施,从源头削减污染,提高资源利用效率,减少或者避免生 产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放,以减轻或者消除对人类健康和环境的危 害 清洁生产要求在污染前采取防止对策,将污染物消除在生产过程之中,实行工业生产 全过程控制,而不是在污染后釆取措施治理。由于采用了更为清洁的原料,并且生产过程

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。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，自然资源出现了向着“低能质” 形式演变的逆向演过程。如果在利用过程中，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，就会改变地球的物质与能量的结构和有序状态。一旦这 种有序的结构被打乱后，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 。 根据熵增加原理，孤立系统的熵值是增加的，即系统的熵值是变得混乱和无序的。针 对人们生存的环境而言，人类的物质生活越富裕，经济水平越高，能源开采和利用越多， 对环境影响越大。它打破了环境原有的自然规律和平衡，在人为的影响下开始变化或变坏， 将重新达到又一个新的平衡，这个过程是熵增加的过程。由于“平衡态就是对应最大熵”， 当熵值达到最大时，系统的混乱程度达到极限。可想而知，当人类和环境达到这种程度时， 后果将不堪设想。所以，环境保护的意义就在于此，需要人为的控制和减缓系统熵值变得 无序的过程，使人们 无 赖以生存的空间得到保护。 3 各经济生产方式之间熵的比较 3.1 末端治理 末端治理是指在生产过程的末端，针对产生的污染物开发并实施有效的治理技术。末 端治理有利于消 端 除污染事件，也在一定程度上减缓了生产活动对环境污染和破坏趋势。 然而，末端治理往往不是彻底治理，而是污染物的转移，如烟气脱疏、除尘形成大量 废渣，废水集中处理产生大量污泥等。这些污染物所含的高熵值并不会被降低，反而由于 污染物治理过程中 污 “高能质”物质和能量的输入，使得整个生产过程中的总熵增加。 3.2 循环经济 循环经济即物质闭环流动型经济，是指在人、自然资源和科学技术的大系统内，在资 源投入、企业生产、产品消费及其废弃的全过程中，把传统的依赖资源消耗的线形增长的 经济，转变为依靠生态型资源循环来发展的经济。 循环经济期望通过资源高效和循环利用，实现污染的低排放甚至零排放。然而循环经 济中的零排放不是指不排放污染物，而是指将这一生产环节产生的污染物作为下一生产环 节的原料加以循环利用。在这一过程中，资金、技术的投入是必须的，甚至还要引入一些 “高能质”的物质。这些都为生产过程的熵增做出了贡献。 3.3 清洁生产 清洁生产是指不断采取改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设 备、改善管理、综合利用等措施，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生 产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危 害。 清洁生产要求在污染前采取防止对策，将污染物消除在生产过程之中，实行工业生产 全过程控制，而不是在污染后采取措施治理。由于采用了更为清洁的原料，并且生产过程

中的每一步都进行污染排放控制,整个生产过程处于一种近平衡态,相比之下更接近可逆 过程,熵的增量最小。 4其它降低熵增的措施 41提高资源利用率 人类经济系统内部对资源和社会财富的占有并不是公平的按需分配。对资源需求量大 处往往不能及时得到足够的资源,而对资源需求量小处却有过多的资源。这种畸形的资源 占有和分配方式降低了资源利用效率,导致了过多熵的产生。平衡的分配使得各处的效益 均达到最大,资源的利用率得以提高,避免过多熵的产生。 42增加清洁能源的使用比例 凊洁能源是不排放污染物的能源,包括常规能源的清洁利用,如煤的气化和液化;可 再生能源如太阳能、风能、水能、海洋能、地热能、生物能的利用;以及新能源(如氢燃 料)的开发。由于没有高熵值污染物的排放,清洁能源的使用是最大限度的利用了“高能 质”原料中蕴含的价值,从而减缓了熵的增加 43控制人口 人的生存和发展是需要物质能量支持的,而这需要通过消耗“高能质”的原料来实现。 对于同等的生活状况,人口数量越多,所需要的总的物质能量支持也就越大,消耗的“高 能质”原料也越多,在同等技术条件下产生的熵増也越大。所以控制人口数量是减小熵增 的一条重要途径 44从地球外部引进负熵 整个地球系统并不是一个孤立系统,除了和外太空有极少量的物质交换(如陨石)外, 很重要的一点是地球得到的太阳能。太阳能可以看作一股输入地球的负熵流,地球系统得 以从无序到有序、从高熵到低熵演化,最大的动力来源就是太阳能这一负熵。直接利用太 阳能,就是直接利用负熵,相对于通过化石燃料或者风能等间接的利用太阳能,这样能更 高效的将负熵引入到地球系统中 45采用科学技术 和太阳能一样,科学技术相当于负熵,它使生产过程的各个环节趋于有序。可以运用 科学的管理模式和开釆方法,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,以达到减少向环境中排放高熵的目的。 5结语 综上所述,污染是化学物质无序度增大的表现,换言之,是熵增的表现。负熵能源的 唯一来源是太阳能,通过绿色植物被固定下来。工业革命以来,人类大量使用化石燃料 地球几百万年积累下来的负熵能源在几百年间被消耗殆尽。另一方面,由于人类对生态系

中的每一步都进行污染排放控制，整个生产过程处于一种近平衡态，相比之下更接近可逆 过程，熵的增量最小。 过 4 其它降低熵增的措施 其 4.1 提高资源利用率 提 人类经济系统内部对资源和社会财富的占有并不是公平的按需分配。对资源需求量大 处往往不能及时得到足够的资源，而对资源需求量小处却有过多的资源。这种畸形的资源 占有和分配方式降低了资源利用效率，导致了过多熵的产生。平衡的分配使得各处的效益 均达到最大，资源的利用率得以提高，避免过多熵的产生。 4.2 增加清洁能源的使用比例 增 清洁能源是不排放污染物的能源，包括常规能源的清洁利用，如煤的气化和液化；可 再生能源如太阳能、风能、水能、海洋能、地热能、生物能的利用；以及新能源（如氢燃 料）的开发。由于没有高熵值污染物的排放，清洁能源的使用是最大限度的利用了“高能 质”原料中蕴含的价值，从而减缓了熵的增加。 4.3 控制人口 人的生存和发展是需要物质能量支持的，而这需要通过消耗“高能质”的原料来实现。 对于同等的生活状况，人口数量越多，所需要的总的物质能量支持也就越大，消耗的“高 能质”原料也越多，在同等技术条件下产生的熵增也越大。所以控制人口数量是减小熵增 的一条重要途径。 4.4 从地球外部引进负熵 从 整个地球系统并不是一个孤立系统，除了和外太空有极少量的物质交换（如陨石）外， 很重要的一点是地球得到的太阳能。太阳能可以看作一股输入地球的负熵流，地球系统得 以从无序到有序、从高熵到低熵演化，最大的动力来源就是太阳能这一负熵。直接利用太 阳能，就是直接利用负熵，相对于通过化石燃料或者风能等间接的利用太阳能，这样能更 高效的将负熵引入到地球系统中。 4.5 采用科学技术 和太阳能一样，科学技术相当于负熵，它使生产过程的各个环节趋于有序。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，以达到减少向环境中排放高熵的目的。 5 结语 综上所述，污染是化学物质无序度增大的表现，换言之，是熵增的表现。负熵能源的 唯一来源是太阳能，通过绿色植物被固定下来。工业革命以来，人类大量使用化石燃料。 地球几百万年积累下来的负熵能源在几百年间被消耗殆尽。另一方面，由于人类对生态系

统的破坏,植被固定太阳能的能力减少,进一步加重了地球熵值的増加趋势。在环境质量 上表现出来就是污染的日益加重。虽然,自然和人类的活动由于热力学第二定律使熵增加 但是如果这些活动的熵增总和仍小于输入的负熵流,也不会造成整体意义上的“污染 地球系统仍会朝着进化的方向发展。而这就需要我们探索包括清洁生产在内的降低熵增的 措施 参考文献: [林德根熵定律与全球性生态危机哈尔滨市委党校学报,2006,(01) [2]贾淑品.发展循环经济,走熵减之路淮南师范学院学报,2008,(02) [3]沈昊婧,袁绪英.对资源环境问题的思考—一熵率与自然资源的合理利用环境科学与 管理,2007,(07) [4]崔晋生,陈红爱.“熵”世界观与可持续发展理念凹J理论探索,2005,(04) 5]王金鑫,边馥苓.基于熵理论的可持续发展理性思维J科技进步与对策,2004,(02) 6]苗艳青,严立冬.论熵増最小化经济与资源的可持续利用[J.中国人口.资源与环境,2006, (06) [7]苏玉霞生命系统、生态环境的熵分析[J.广西师范大学学报(自然科学版,2002,(01) 8]张怀德.负熵在生态系统中的应用J聊城师院学报(自然科学版,2004,02)

统的破坏，植被固定太阳能的能力减少，进一步加重了地球熵值的增加趋势。在环境质量 上表现出来就是污染的日益加重。虽然，自然和人类的活动由于热力学第二定律使熵增加， 但是如果这些活动的熵增总和仍小于输入的负熵流，也不会造成整体意义上的“污染”， 地球系统仍会朝着进化的方向发展。而这就需要我们探索包括清洁生产在内的降低熵增的 措施。 参考文献： [1] 林德根. 熵定律与全球性生态危机[J]哈尔滨市委党校学报, 2006,(01) . [2] 贾淑品. 发展循环经济,走熵减之路[J]淮南师范学院学报, 2008,(02) . [3] 沈昊婧, 袁绪英. 对资源环境问题的思考——熵率与自然资源的合理利用[J]环境科学与 管理, 2007,(07) . [4] 崔晋生, 陈红爱. “熵”世界观与可持续发展理念[J]理论探索, 2005,(04) . [5] 王金鑫, 边馥苓. 基于熵理论的可持续发展理性思维[J]. 科技进步与对策, 2004,(02) . [6] 苗艳青, 严立冬. 论熵增最小化经济与资源的可持续利用[J]. 中国人口.资源与环境, 2006, (06) . [7] 苏玉霞. 生命系统、生态环境的熵分析[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2002,(01) . [8] 张怀德. 负熵在生态系统中的应用[J]. 聊城师院学报(自然科学版), 2004,(02)