淺談熱力學(xué)第二定律在節(jié)能環(huán)保中的作用

高金海 趙靜 葉娜

【摘要】在過(guò)去的幾十年里，由于科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國(guó)進(jìn)入一個(gè)工業(yè)化、現(xiàn)代化的進(jìn)程，使我們的收入增加，生活水平提高，但是也帶來(lái)了很嚴(yán)重的后果能源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染日益加重。隨著我們對(duì)熱力學(xué)定律——特別是熱力學(xué)第二定律的知識(shí)的增加，節(jié)能環(huán)保的觀念日益強(qiáng)烈，熱力學(xué)有助于我們了解自然怎么運(yùn)作，了解人與人之間、人與自然之間該怎樣和諧相處，有助于我們構(gòu)建一個(gè)胡錦濤主席倡導(dǎo)的和諧社會(huì)。

【關(guān)鍵詞】熱力學(xué)第二定律 節(jié)能環(huán)保 和諧社會(huì)

【基金項(xiàng)目】河南省科學(xué)技術(shù)成果項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：教高豫科鑒委字〔2015〕第569號(hào)）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：16A140039）。

【中圖分類號(hào)】G647 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）13-0285-01

當(dāng)前，全球資源緊張，氣候變暖對(duì)人類的生存和發(fā)展形成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。提倡節(jié)能環(huán)保，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)是大勢(shì)所趨。節(jié)能環(huán)保不僅是地區(qū)、企業(yè)的問(wèn)題，更要求所有公民提升環(huán)保意識(shí)，而推廣并提高公民的環(huán)保意識(shí)正符合認(rèn)識(shí)的本質(zhì)及其發(fā)展規(guī)律。隨著氣候變化對(duì)人類生存與發(fā)展的挑戰(zhàn)日益突出，世界各國(guó)的壓力越來(lái)越大。目前，節(jié)能環(huán)保是全世界最熱門的話題。但是人們很少把節(jié)能環(huán)保和熱力學(xué)聯(lián)系起來(lái)。因?yàn)槟芰亢挽厥撬凶匀贿^(guò)程，所以我們能在許多科學(xué)中發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)現(xiàn)象和熱力學(xué)規(guī)律。從第二定律的定義和本質(zhì)出發(fā)，指出熱力學(xué)定律中事半功倍的相對(duì)概念，還有就是衡量可逆度的重要性。另外，熱力學(xué)第二定律對(duì)溫室效應(yīng)的影響，從引起溫室效應(yīng)的各個(gè)方面來(lái)解決法案。文中還介紹了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與熱力學(xué)第二定律之間的聯(lián)系和改善目前最大的土壤問(wèn)題的方法，還提到各種自然環(huán)境與熱力學(xué)第二定律的聯(lián)系，還有其引起的原因和盡量避免的辦法。最后在文章中我還暢想了一下熱力學(xué)第二定律在人類未來(lái)生活中的所起的作用，以及人們運(yùn)用第二定律解決現(xiàn)在難題的辦法。

一、熱力學(xué)第二定律的啟示

近年來(lái)自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，08年的四川地震以及世界各地的海嘯、火山爆發(fā)等。這些都警示人們地球已經(jīng)超負(fù)荷已經(jīng)打破了它原來(lái)的平衡模式。

在08年地震發(fā)生以后科學(xué)家就進(jìn)行了各種推測(cè)，有些人認(rèn)為是三峽大壩的修建引起地球結(jié)構(gòu)受力不均勻引起的，有些認(rèn)為是地球的熱應(yīng)力是地球某些脆弱的部分發(fā)生錯(cuò)位或斷裂引起的地震。各種說(shuō)法層出不窮，我個(gè)人認(rèn)為這是因?yàn)闊崃W(xué)第二定律給我們的警示，熱力學(xué)第二定律說(shuō)明的是一個(gè)方向性和不可逆性，近年來(lái)大量的工業(yè)開(kāi)采以及石山的炸裂造成了地球的不平衡發(fā)展打破了它原來(lái)的平衡模式，從而地球發(fā)怒給人類敲響警鐘?；鹕降念l繁爆發(fā)也與熱力學(xué)第二定律密不可分，火山活動(dòng)是地球內(nèi)部受熱不均勻造成的。海底的地震和火山噴發(fā)是引起海嘯的主要原因。熱是一切地質(zhì)活動(dòng)的根源和動(dòng)力。

這些自然現(xiàn)象就是熱力學(xué)第二定律告訴我們，能量是從高到低發(fā)展的是不可逆的。每次的自然災(zāi)害就像地球的哀嚎，所以我們要從現(xiàn)在開(kāi)始讓地球走一走回頭路，可以讓人類更好的生活下去。

二、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和熱力學(xué)第二定律

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的本質(zhì)就是自然界的光合作用。光合作用的本質(zhì)就是葉綠素吸收太陽(yáng)光能，同時(shí)把空氣中的二氧化碳和土壤中吸收的水經(jīng)過(guò)分解合成的有機(jī)物質(zhì)葡萄糖，并釋放出氧氣。光合作用是地球上一切生命的根本源泉，它決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的本質(zhì)。所以，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能違背熱力學(xué)定律，應(yīng)該遵循這一規(guī)律為人類可持續(xù)發(fā)展提供條件。

一提到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)相信人們的第一反應(yīng)就是歐美的石油化學(xué)農(nóng)業(yè)，但是我們今天說(shuō)的不是這個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。雖然這種農(nóng)業(yè)模式高產(chǎn)但是人們沒(méi)有看到它高產(chǎn)背后的高投入，其實(shí)這種農(nóng)業(yè)模式是掠奪式發(fā)展，它是高強(qiáng)度機(jī)械化和使用大量的農(nóng)藥化肥破壞了土地原來(lái)的循環(huán)模式，打破了它的自然循環(huán)過(guò)程。熱力學(xué)第二定律是一個(gè)熵增加定律，大量的使用化肥農(nóng)藥使土壤的熵值快速增加加速了土地的破壞。所以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)該是減緩熵增加速度的發(fā)展模式。

中國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)發(fā)展是精耕細(xì)作的農(nóng)業(yè)制度土地利用率是歐美國(guó)家的幾倍。我國(guó)講究的是可持續(xù)發(fā)展而不是高強(qiáng)度的掠奪，我國(guó)古代就提倡和諧統(tǒng)一的思想所以中國(guó)文明源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。日本的農(nóng)業(yè)家福剛正信先生提出的“自然農(nóng)業(yè)法”就是受到老子的思想啟發(fā)?！兜赖陆?jīng)》上說(shuō)“萬(wàn)物并作，吾以觀復(fù)。夫物蕓蕓，各復(fù)歸其根，歸根曰靜，靜曰復(fù)命，復(fù)命曰常，知常曰明。”這就是老子的循環(huán)思想。在農(nóng)業(yè)耕種中中國(guó)就是遵從了這個(gè)自然循環(huán)的法則才有了中華五千年的歷史文明。富剛正信根據(jù)這一思想提出農(nóng)業(yè)中不施化肥讓土壤中的微生物自己來(lái)維持平衡。

以上生產(chǎn)方式就是通過(guò)減少農(nóng)藥、化肥的使用來(lái)控制熵的急劇增加，讓農(nóng)業(yè)回到原來(lái)農(nóng)業(yè)耕種模式的基礎(chǔ)上再提高糧食產(chǎn)量。像人類耕耘的其他領(lǐng)域一樣，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是我們運(yùn)用熱力學(xué)定律，特別是熱力學(xué)第二定律給予關(guān)注的領(lǐng)域?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)就是要向著控制熵增加的方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)中國(guó)古代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)：即天、地、人和諧統(tǒng)一的觀點(diǎn)。

三、節(jié)能與熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第二定律效率∈既考慮了能的數(shù)量，又考慮了能的質(zhì)量，比∈明確合理，且最大值為1，便于作綜合用能系統(tǒng)和各類熱能設(shè)備相比較。熱力學(xué)第二定律效率是從經(jīng)典靜力學(xué)的角度考慮的，而未考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)以及熱動(dòng)力學(xué)有關(guān)的許多理論和實(shí)際問(wèn)題，從技術(shù)上考慮，∈接近1是可能的。合理的用能原則是使能源的質(zhì)量與用戶需要的質(zhì)量相對(duì)應(yīng)，下面舉兩個(gè)例子說(shuō)明一下。

如采暖，盡可能不直接由燃料燃燒來(lái)供應(yīng)，∈告訴我們，節(jié)能工作要特別注意∈小的場(chǎng)所，理論上節(jié)能潛力很大，其效率可提高更多，但實(shí)際上卻不是很理想。還有火力發(fā)電廠的效率是目前一次能源利用中較高的，效率平均已達(dá)到33%，而且輸出的是高質(zhì)量的能。但和最高標(biāo)準(zhǔn)相比，火力發(fā)電仍有較大的潛力。如熱電合供，效率可達(dá)40～45%.為了充分發(fā)揮有機(jī)礦物燃料資源的利用率，火力發(fā)電技術(shù)仍有待提高。從這些可以看出熱力學(xué)第二定律效率告訴我們。節(jié)能的潛力很大，開(kāi)展節(jié)能工作仍需努力。

我們還可以從計(jì)算的角度來(lái)分析節(jié)能與熱力學(xué)第二定律的關(guān)系，我們用一個(gè)能量的質(zhì)量函數(shù)有效能來(lái)表示。根據(jù)有效能的定義，熱流Q的有效能為

式中：Q代表熱傳遞，T代表熱源溫度，T0代表環(huán)境溫度，△S代表過(guò)程熵變上式即為熱力學(xué)第二定律的一種表達(dá)式。再有熱力學(xué)第二定律普遍式，對(duì)隔離體系

上式說(shuō)明，熵變是不可逆的，一切實(shí)際過(guò)程總是向著熵增大的方向進(jìn)行。

顯然，熵變等于過(guò)程中熵的產(chǎn)生。由于熵是無(wú)效能的度量，熵產(chǎn)生意味著無(wú)效能增加，有效能減少，能的質(zhì)發(fā)生變化。因而熱力學(xué)第二定律可表達(dá)為：體系有效能損失=體系不可逆性，由此可知，減少過(guò)程的不可逆性就能減少有效能損失，這就是節(jié)能。

總之，人們談起節(jié)能時(shí)首先想到的是熱力學(xué)第一定律，而對(duì)如何從熱力學(xué)第二定律的原理出發(fā)考慮人們并不熟悉。通過(guò)以上介紹我們應(yīng)該了解熱力學(xué)第二定律對(duì)節(jié)能的重要性。我們應(yīng)該重視熱力學(xué)第二定律并把它運(yùn)用到我們的日常生活中。