試論21世紀的工業革命

茍仲武

摘要：本文通過對工業革命概念的辨析，提出關于工業革命階段劃分的一個觀點，對新工業革命做了重新定義；認為“讓能量動起來、讓熱機冷下來、讓排放變資源”這三個理念，是新的工業革命的創新發展的著力點，可以帶來能源、動力、減排領域的大變革和大發展，進而推動一場新的工業革命。

關鍵詞：工業革命；技術創新；技術創造；社會變革

1 工業革命的概念和特征

工業革命應該是人類歷史上具有劃時代意義的偉大革命。一百多年來，學者們就工業革命的定義爭論不休，研究的問題越來越深入。但研究者即使對一些基本問題也很少形成共識，“究竟什么是工業革命”這一問題往往人言人殊。

從學術角度分析工業革命的字面，包含“工業”和“革命”兩個部分。根據百度百科：工業（industry）是指采集原料，并把它們加工成產品的工作和過程。工業是社會分工發展的產物，經過手工業、機器大工業、現代工業幾個發展階段。革命，則是指推動事物發生根本變革，引起事物從舊質變為新質的飛躍，是一種實現社會變革的歷史過程。

因此，本文認為工業革命就是造成工業過程、工業規模、工業技術等和工業息息相關的諸多領域均發生突變，對工業產生巨大影響、，引起跨越式進步和發展的一場社會、產業變革。

國內外學者把工業革命定義的研究分為社會變革學派、工業組織學派、宏觀經濟學派、技術學派、能源學派和消費學派等，這些研究分別從不同側面去抓工業革命的特征。本文也根據這一百多年來工業革命的發展歷程和發展成果，從工業的第二產業的實業屬性出發，總結歸納出一些工業革命明顯應具有的特征：

1.社會影響規模

工業革命引起社會發生廣泛的變革，影響到工業和工業相關的各行各業的發展變化，不局限于某一單一領域或者少數幾個領域；

2.市場經濟價值

一場工業革命的發生，必然在相當長的時間里持續影響社會生產總值的大幅度增長，甚至要大到難以估量的地步；

3.技術理論進步

工業領域發生重大的理論突破和進步，這些系統、全面的新理論、新認識的應用，引起工業過程發生前所未有的變化，全社會產生強大的變革發展的內在動力；

4.生產力的發展

真正的工業革命必然帶來人類社會生產力的巨大的、飛躍式的發展，同時也推動生產關系的巨大變化；

5.歷史因果關聯

新工業革命不應該是緩慢、漸進、累加式的發展，幾乎沒有和歷史的漸進性關聯，是一種在現有的工業發展過程中產生新的爆炸式增長、突變式發展。

這些都是一場工業革命應該同時具有的特征。人類已經經歷過的第一次工業革命（動力機械的誕生和發展）、第二次工業革命（電的發現和應用）都具有上述這些特征。被社會普遍接受的已經發生甚至接近完成的“第三次工業革命”、“第四次工業革命”觀點、說法，就不太符合上述特征。

第一次工業革命引起了從手工勞動向動力機器生產轉變的重大飛躍。這場革命的過程一直延續到今日，我們人類離不開的各種機器設備，特別是動力設備，幾乎都和這場革命的開始而同時誕生，并在這100多年中不斷、循序漸進的發展和完善。即便是剛剛退出歷史舞臺的蒸汽機車，仍在極少數的應用場合發揮著作用。第二次工業革命則讓人開始使用“電”，這是和蒸汽機、內燃機完全不同的一次新領域的突破，從電燈、電話，有線電、無線電，電腦、互聯網，都是“電”在發揮神奇的作用，都是人類隨著對“電”的認識不斷深入，“電”的應用領域不斷擴展的過程。這個漸進、發展過程中沒有哪一個階段能單獨稱其為新的“工業革命”，充其量也只能是在某個小領域、小行業產生局部的“小革命”。應該說第一次工業革命、第二次工業革命從革命開始一直延續至今，還在不斷進行中；能與之匹敵的新的“工業革命”還沒有開始。

2 新的工業革命的基礎和條件

到了今天，人類社會的生產力已經高度發達，生產關系也達到較高水平，體現在經濟繁榮、社會穩定。通俗的說法就是到了幾乎什么需要的東西都能造出來，但是社會不知道該造什么了。到處都是“產能過剩”、“產品過剩”，整個社會消費需求乏力，人們對工業品的需求似乎都得到了滿足，沒什么大的需要了。偶爾出現一個新的市場，轉瞬間就又飽和或過剩了，

找不到新的需求、新的增長點，現有的原材料“蛋糕”、半成品“蛋糕”、產成品“蛋糕”有限，一些曾經發達、現在落后的國家眼看吃不到、不夠吃了，競爭不過我們，則開始“耍賴”，懲罰性關稅、貿易制裁、編造謊言欺騙等手段紛紛出籠，目的就是減緩我們的發展，讓發展先進的國家慢下來、走入歧途。我們則開始改進“供給側”，按照西方的忽悠“去產能”，在提升“品質”上下功夫，這一定就能讓社會產生新的需求？難道人類生產力發展到了一定階段就要“揮刀自宮”？真是“出頭的椽子先爛”？我們現在大幅度消減全世界公認的重要戰略物資煤炭、鋼鐵的產能，努力淘汰低水平產能。劣質煤停產，低標號水泥停產，低品質鋼材停產，但如果哪天都到了高水平產能，都提升變成優質煤、高標號水泥、高品質鋼材，再“過剩”了，又怎么辦？生產出來高品質的、超越需求的“過剩產品”，能保證賣掉嗎？

“引發工業革命的必要性是市場！”今天，實體經濟發展卻遇到瓶頸，能源危機也已經迫在眉睫。如果找不到“更大的蛋糕”，各個階級、各種利益集團對現有“蛋糕”的爭奪和分配的斗爭將不斷加劇，因此人類亟需再來一場真正的工業革命。

但什么才是工業革命？工業革命從哪里開始？靠什么實現工業革命？有人說靠模式、有人說靠信息、有人說靠智能化。依據本文總結的工業革命的特征可以得出，能稱之為革命的，一定是大動作，一定是讓人們生產、生活發生巨大變化的東西，一定是在經濟規模上占據主要地位的部分，是“基礎硬件”，不是“應用軟件”。能源、動力每個人都離不開，每個國家都高度重視，第三次工業革命、新工業革命，一定還是從關乎人類生存、發展的基礎產業：能源和動力開始。

3 新工業革命的理念和方法

產業的革命，首先是理論的革命，只有理論的革命性發展，才會帶來產業的革命性變革。人類對于自然科學基本規律的研究已經接近盡頭，科技工作者除了研究石墨烯、引力波，還有沒有和具體生產生活有著廣泛、密切相關的重大創新研究內容呢？還有沒有大變革的機會呢？

創造是從無到有，創新是從有到用。人類現在對地球資源已經基本上了解清楚，容易獲得的資源已經開發殆盡，從創造、發現的角度，已經開始研究開發頁巖氣、可燃冰了，能不能回頭看看，還有什么可以創新的地方？我們有沒有忽略什么東西？

我們提出“讓能量動起來、讓熱機冷下來、讓排放變資源”的理念創新，讓能量流動轉移的方式帶來各行業大幅度節能；讓現有的各類發動機工作溫度段落下調，使常溫的熱量也能轉化為動力；讓習慣排放的二氧化碳變為財富、資源、肥料，同時創造比燃燒熱更高的效益！下面逐一進行解釋說明。

3.1 讓能量動起來，能源應用觀念創新

3.1.1 用能量搬運移動、高能效比的方式大幅度提高能源利用效率

人類千百年來養成了一個思維慣性：只要需要熱量，就習慣用傳統的煤、氣、油、電等能源轉換成熱能。人們熟知的能量守恒定律，讓許多人忽略了一種叫“熱泵”技術的熱能搬運 “杠桿”。即消耗一份能量，帶動其他介質中已有熱量的再利用，在得到同樣多的熱能時，新消耗的高品位能源、石化燃料會大大減少，可實現大幅度節能減排。

熱泵技術有很多種，空調、制冷系統采用的是一種壓縮式熱泵系統，空調可以高效率地將室內外的熱量來回搬運，夏天，把房間里的熱量搬到室外；冬天把室外的熱量搬到室內，能效比普遍在3倍以上，換句話說，比直接消耗能源物質獲得熱量的方法，節約能源三分之二以上！

人們使用空調、冰箱已超百年，這些年逐步推廣開的水源熱泵、地源熱泵，也都是該原理的典型應用。遺憾的是，雖然能效比高，節能效果明顯，但這些應用場合的設計溫度太低，以輸出溫熱水為主，主要用于空調、制冷、采暖、生活洗浴等，沒有更高的工業利用價值，未能涉及工業領域的高耗能環節，難以產生更好的節能減排社會效益。

熱泵技術本身從來沒有“說過”自己不能超過100℃，難道只能用在幾十度上？經過我們的研究實踐，證明熱泵輸出可以很容易地突破100℃，完全可以介入大多數工業領域的高耗能環節，實現能源消耗關鍵環節的大比例節能。例如蒸汽鍋爐，以前熱泵技術只能在水加熱70℃以下時起作用，涉及的工作范圍太小，所節約的熱能最大只能占到全熱的3%～8%，從系統復雜性、成本增加量等綜合考慮，沒有實用價值。當熱泵介入“水-汽”沸騰高耗能環節，且保持較高能效比時，才是熱泵技術得以獲得應用上的突破的基礎。

熱泵有太多種類，驅動熱泵工作的能量來源也包括電能、熱能、勢能等，只要你的需求不要超過200℃，現有的設備、技術、工藝完全可以組合出你要的系統，實現大幅度節能的目的。如果我們的鍋爐能從現在努力追求100%的效率，變成起步就是200%～300%的效率或更高，節能50%以上，若我們家家戶戶的廚具節能60%以上，發熱量就會成倍減少，廚房、車間就會變得涼爽。采用熱泵蒸發方法處理污水，一噸污水耗電僅十幾度，還能生產純水。我們的洗衣機、廚具、暖氣、熱水器就全都變了，這樣是不是就有變革的感覺了？

3.1.2 實現能源系統利用、階梯利用提高能源利用效率

長期以來，人們在使用能源的過程中普遍采用單一、直接利用的方式，需要熱量就燒油、燒煤；需要制冷就采用電驅動壓縮式熱泵或者熱量驅動吸收式熱泵。比如建設火電廠，不考慮余熱的利用，用個大型冷卻塔一散了之；建設數據中心則主要考慮電如何廉價獲得，不考慮巨大的電能源消耗產生的熱能如何利用，只是考慮如何盡可能低成本實現散熱。

能量在生成、流動過程中可以輸出機械能，然后最終才都轉化為熱能。我們發電扔掉余熱，我們采暖忽略掉可能輸出高品位機械能、電能的機會。沒有進行優先高品位利用、全過程利用、高效率利用。

如果我們不要再建設大型、超大型火電站，反過來在讓每一臺鍋爐成為先發電、后供暖供氣的“小火電站”，那么還有“余熱利用”的問題嗎？能量利用過程中實現高品位利用，甚至可以利用高品位能源驅動“熱泵”系統，讓后續供暖、供汽的過程實際輸出的能量大于燃料輸出的總熱值，能效比大于1，實現大幅度節能和能源的高效利用！

只要我們轉變思路，采用系統、高效的用能方式，將熱泵技術在能源綜合利用的場合充分利用，實現將空氣中的、污水里的、土壤里的、回收其他熱源得到的熱量搬到生產、生活設備中循環利用；實現企業內冷熱作業面的熱能調度；甚至讓能量在時間、空間流動起來，實現跨地區、跨季節、跨行業應用，系統新增的能量消耗僅是原有能耗的幾分之一，必然會大大提高能源的利用效率，減少能源消耗和對環境的污染，改變目前能源供給日趨緊張的狀況。

3.2 讓熱機冷下來，動力理論創新

近三百多年的動力機械發展史，讓人們習慣于用“高溫”來獲得動能輸出，不論是內燃機、外燃機、火箭發動機等等，無一例外。包括現在的核動力裝置，也是設法依靠核反應產生的熱量，讓工作介質達到高溫、膨脹來輸出動力。傳統的動力獲取理念的形成有歷史原因。要想徹底改變目前的能源利用現狀，必須打破慣性思維，在堅持基本的能量守恒、質能守恒定律的基礎上，找出一條獲取動力、利用能量、再循環利用能量的新思路。

熱和功的單位都是焦耳，而焦耳和溫度無關，也就是說，高溫的熱、低溫的熱，理論上轉換為功的潛在能力是一樣的，甚至從某種意義上說，越靠近絕對零度的狀態下，“熱量”越容易以較高的效率轉化為功。功最后都變成熱，而熱必須借助某種介質和裝置才可以部分變為功，物理學基本理論也沒有限定什么溫度下的熱不能變成功。

瓦特看到壺蓋子被水蒸氣推的跳動而發明了蒸汽機，重要的地方本來不是水蒸氣，是水汽化，體積膨脹，壓力增高！加熱僅僅是手段，膨脹才是目的。如果瓦特那個時代有干冰、有液氮，他如果給壺里面加干冰、加液氮，他還關心燒火嗎？不用燒火，壺蓋子就跳動了！他又會發明什么呢？

如果選擇了液態空氣這種-196℃的無色液體作為工質，自然界里常溫的空氣、河水、海水，都是相對“高溫”的物質，都可能成為給它加熱的“熱源”和能量提供者，成為能源物質。只要將環境的熱量傳遞給液態空氣，它就能沸騰、膨脹、做功，就不再需要消耗其他石化燃料或生物質燃料來獲取熱量了。

我們提出一個用液態空氣作為“工質”的系統方案。首先，制備液態空氣的過程是熱泵制冷輸出熱能的過程，可以用熱泵技術得到高溫熱水或蒸汽輸出利用，“副產品”就是被“冷卻”成液體的液態空氣；使用時，從液態空氣汽化開始，就從環境空氣、水、土壤中吸熱獲取能量變成勢能，形成高壓、常溫的氣體，然后適時、適量地進入現有內燃機的氣缸等膨脹做功環節，模擬實現原來靠燃燒釋放熱量、介質吸熱膨脹得到的同等壓力環節，后續輸出動力的過程則完全一樣。

以汽車為例，改造前，汽車是帶著能源物質，吸入不需要付費的環境空氣，燃燒后釋放的熱量讓反應后的混合氣體猛烈升溫、膨脹，勢能在發動機內轉換為動能，帶動車輛運動，做功后尚有余熱的廢氣被排放到環境中；改造后，汽車是帶著超低溫的工作介質，通過換熱器，吸收不需要付費的常溫空氣的熱量，沸騰、汽化、氣化，升溫膨脹，最后是高壓常溫氣體推動發動機運轉，帶動車輛運動，膨脹釋放內能后大幅度降溫的空氣則被重新排放到空氣中。這個過程已經在實驗中得到驗證。初步估算，讓發動機輸出同樣的動力消耗的“工作介質”體積是原來燃料消耗的2～5倍，而系統成本是使用燃料時的近十分之一！

創新使用液態空氣作為工作介質，吸收環境熱、發動機拋棄的余熱、廢熱做功，會讓飛機發動機不再噴火、火箭發動機沒有尾焰，將使以熱量形式丟棄的能量降到最低，使能量利用率、環境熱利用率達到新高。近期英國空天飛機發動機研究工作取得較大進展，從中央電視臺13頻道2014年12月17日相關新聞消息中看到的發動機工作動畫和同時公布的三種燃料成份，已經明確說明液氮是除了液氫、液氧之外的第三種“燃料”介質成份，明確說明空天飛機發動機用它確保發動機內部工作在較低溫度，同時發動機仍然保持較高效率。

更有意思的是，如果汽車發動機的工作溫度是從常溫到低溫，塑料就可以成為發動機的原材料，重量、成本會發生怎樣的變化？原來不符合排放標準的舊車，把火花塞換為噴氣塞，馬上變成“零”排放，超歐N標準；如果飛機發動機內部工作溫度下降，我們國家在耐高溫材料、高溫散熱系統設計加工方面的短板就不復存在，發達國家的那部分優勢也就體現不出來了，我們的大飛機發動機就可以來一次“彎道超車”，至少可以通過“抄近路”大大縮小差距。還有，如果火箭增加液態空氣“輔料”，將“火舌”帶走扔掉的熱量，變成膨脹勢能，全部噴射常溫氣流。根據能量守恒定律，熱沒有扔掉，只能轉化為動能，推力是否增加、成本是否下降、環境污染是否減少先放一邊，沒有了紅外、紫外特征，戰略導彈防御體系就變成了“睜眼瞎 ”。

我們需要重新認識一下膨脹做功，不要把工作起點、工作溫段限制在常溫到高溫，而從超低溫到常溫、超低溫到超高溫膨脹也完全符合基本的熱力學定律。不能因為瓦特那個時候只有水能可用，沒有見過液態空氣，我們今天就也對液態空氣視而不見。使用液態空氣，就是另類的蒸汽機，雖然談不上創造，但肯定是創新！是一個能引起動力機械發生一次大的變革的應用創新！

3.3 讓排放變資源，減排理論創新

今天，工業領域和人們日常生活中都把排放二氧化碳當成一件理所當然的事，如化工廠、水泥廠、酒廠、火電廠等均是排放二氧化碳的集中“大戶”。進行環境評價的時候，排放物里面如果沒有特殊化合物，如硫化物、氮氧化物、粉塵即達到清潔排放的標準，排放物含有二氧化碳、水蒸氣、熱量其實都是局部環境空氣的增量和干擾，也將影響局部環境指標，本應同樣得到處理。

每個鍋爐都有煙囪，煤炭燃燒后碳排放成為人類數千年養成的習慣，但是仔細分析一下，煤炭的燃燒過程是一個化學反應過程，在生成近4倍重量二氧化碳的同時，釋放燃燒熱。排放的二氧化碳其實是比燃燒過程釋放的熱更有價值的資源，目前國內生產成本價每噸150元左右，歐盟公布的成本每噸18歐元；市場批發價每噸高達500～800元，淘寶零售價更達到每噸一萬元。化學產物的價值比釋放的熱能價值高2～3倍，人們長期以來都是抓了燃燒熱這個“芝麻”，扔了燃燒化學產物這個“西瓜”。回收的二氧化碳則是光合作用的“三要素”之一，將收集的碳排放換個地方，噴施到農田、森林、草原、海洋則成為“氣肥”，可以讓綠色植物大幅度、成倍增產！

造成這個結果也有其歷史原因，倒退幾十年，煙氣中二氧化碳幾乎無法回收，回收了也沒有什么太多用途，人類當時也沒有減少碳排放的環境保護壓力。但是今天則完全不同了，回收煙氣二氧化碳的技術已經成熟，回收成本低廉，回收的二氧化碳用途廣泛。人們也已經認識到碳排放對環境的危害，到了應該徹底處理碳排放、必須處理碳排放問題、可以從根本上解決碳排放問題的時候了。

我們在“脫硫脫硝”的過程中，習慣采用各種化學反應的方法，而沒有用冷凝回收的技術。超低溫技術在以前是不成熟的，人們習慣在各種“冷凝”工藝中，將“常溫”作為冷凝的的最低溫度，現在熱泵技術非常成熟，低溫、超低溫都可以很方便的、低成本、高效率獲得，在回收利用煙氣熱量的同時，也能實現煙氣中熱能回收、污染物直接“冷凝”回收，實現真正意義上的節能、減排、增效！

如果對我們人類普遍使用的燃煤、燃油、燃氣過程進行改革，讓每一臺鍋爐、每臺燃燒裝置像化工廠的反應設備那樣工作，既利用燃燒反應釋放的熱量，還要利用化學反應產生的化學產物，把化石資源的價值“吃光榨凈”，在減少環境污染物排放的同時，實現效益的大幅度增加，實現低碳、減排、增效的有機統一。

套用前文所述的工業革命的五個特征來衡量，“讓能量動起來”如能實現全社會能源消耗下降到現有水平的幾分之一，幾乎所有高耗能設備、生產系統都要改變用能模式，改變后的工藝、裝備可以帶來很好的經濟效益，那么這個變革足夠廣，規模足夠大；“讓熱機冷下來”將影響幾乎所有消耗燃料的機械裝置，包括車、船、飛機等，僅僅全世界汽車保有量就達到10億，用這個理論對車輛進行改裝就是一個巨大無比的市場，全世界都行動起來，也難以在幾十年內改完；“讓排放變資源”則理清了碳排放、碳循環的幾個關鍵環節，讓人們從大自然獲取資源和回饋的過程變得合理、經濟、自然。雖然這幾個理論、理念非常簡單，有“歷史因果關聯”，但帶來的影響是人們長期忽視、長期積累的問題，得到徹底的泄放處理，結果是“爆炸性”的。雖然理論沒有發展，但對成熟理論的認識則大大加深，某種意義上返璞歸真、徹底到位。這應該可以帶來一場新的工業革命！這場二十一世紀的工業革命，將是第一次、第二次工業革命的深化、繼續，也將是在此基礎上的一場徹底的工業革命

看看周圍，100年左右一成不變的東西太多了，別說工業領域，小到生活中常見的空調、冰箱、灶具，大到鍋爐、汽車、輪船、飛機、火箭等等，除了少數產品在細節上有些進步以外，關鍵環節、高耗能環節幾乎沒有變化。或許因為不知道怎么變，或許因為不想變，或許因為不敢變，今天都該變變了！我們發展的機會、空間還少嗎？

我們對誕生于100多年前的許多公理、定理已經熟知，但往往還帶了一些前人、老師的偏見去理解和認識，“需要對基礎理論進行清醒的再認識”；早期的一些應用理論由于受到當時本學科或其他學科發展的限制，存在一些“歷史局限性”造成的落后和不足，“需要對重要的應用理論進行大膽的再發展”；以前信息交流不暢，一個人窮其一生能精通一門學科就實屬不易，而現在，分分鐘就能找到其他學科的信息、理論、專家進行學習交流，技術人員應該一專多能，“需要我們放手進行跨學科交叉應用創新”！

創新是看得見、摸得到、聽得懂、做得出，沒有門檻、沒有壁壘的東西。本文滿篇沒有什么創造，只有一些樸素簡單的思考。需要的就是打破常規、打破行業限制、忘記前人、老師的“教誨”，返璞歸真，重新看待每一個成熟技術，研究它們在其他領域的應用價值，做好針對市場需求、生產需求和生活需求的應用創新。現在，新工業革命的基礎理論早已具備，經濟條件非常成熟，需求也已經十分迫切，只是需要我們大家一起投身并實現之。

后記：近年來，社會上流行很多關于工業革命的提法，好像處處都是革命、什么都能帶來革命，筆者認為這不夠嚴肅。比如3D打印技術是讓我們從高度機械化、自動化的大生產返回到“個性化定制”、“單件小批量”的手工作坊，能帶來制造業革命嗎？制造能“智能”嗎？是不是我們的機床、加工中心變得智能化加工精度自然就能提高？材料強度也能因為“智能”而提高？電動汽車明明是有100多年歷史的“電池+電動機”的一個翻新的老古董，怎么成了新能源車了？互聯網充其量也就是一種通信技術的先進形態，如果這也算革命，那么高鐵讓人們的工作生活也發生巨大變化，也是“革命”了？放眼望去，機器人、自動駕駛汽車、物聯網、云計算，如果都是革命，還有真正的“革命”嗎？