淺談熱力學第二定律在節能環保中的作用

高金海 趙靜 葉娜

【摘要】在過去的幾十年里，由于科技和經濟的發展我國進入一個工業化、現代化的進程，使我們的收入增加，生活水平提高，但是也帶來了很嚴重的后果能源的浪費和環境的污染日益加重。隨著我們對熱力學定律——特別是熱力學第二定律的知識的增加，節能環保的觀念日益強烈，熱力學有助于我們了解自然怎么運作，了解人與人之間、人與自然之間該怎樣和諧相處，有助于我們構建一個胡錦濤主席倡導的和諧社會。

【關鍵詞】熱力學第二定律 節能環保 和諧社會

【基金項目】河南省科學技術成果項目（項目編號：教高豫科鑒委字〔2015〕第569號）；河南省高等學校重點科研項目（項目編號：16A140039）。

【中圖分類號】G647 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）13-0285-01

當前，全球資源緊張，氣候變暖對人類的生存和發展形成嚴峻的挑戰。提倡節能環保，發展低碳經濟已經是大勢所趨。節能環保不僅是地區、企業的問題，更要求所有公民提升環保意識，而推廣并提高公民的環保意識正符合認識的本質及其發展規律。隨著氣候變化對人類生存與發展的挑戰日益突出，世界各國的壓力越來越大。目前，節能環保是全世界最熱門的話題。但是人們很少把節能環保和熱力學聯系起來。因為能量和熵是所有自然過程，所以我們能在許多科學中發現熱力學現象和熱力學規律。從第二定律的定義和本質出發，指出熱力學定律中事半功倍的相對概念，還有就是衡量可逆度的重要性。另外，熱力學第二定律對溫室效應的影響，從引起溫室效應的各個方面來解決法案。文中還介紹了現代農業與熱力學第二定律之間的聯系和改善目前最大的土壤問題的方法，還提到各種自然環境與熱力學第二定律的聯系，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第二定律在人類未來生活中的所起的作用，以及人們運用第二定律解決現在難題的辦法。

一、熱力學第二定律的啟示

近年來自然災害頻繁發生，08年的四川地震以及世界各地的海嘯、火山爆發等。這些都警示人們地球已經超負荷已經打破了它原來的平衡模式。

在08年地震發生以后科學家就進行了各種推測，有些人認為是三峽大壩的修建引起地球結構受力不均勻引起的，有些認為是地球的熱應力是地球某些脆弱的部分發生錯位或斷裂引起的地震。各種說法層出不窮，我個人認為這是因為熱力學第二定律給我們的警示，熱力學第二定律說明的是一個方向性和不可逆性，近年來大量的工業開采以及石山的炸裂造成了地球的不平衡發展打破了它原來的平衡模式，從而地球發怒給人類敲響警鐘。火山的頻繁爆發也與熱力學第二定律密不可分，火山活動是地球內部受熱不均勻造成的。海底的地震和火山噴發是引起海嘯的主要原因。熱是一切地質活動的根源和動力。

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

二、現代農業和熱力學第二定律

農業生產的本質就是自然界的光合作用。光合作用的本質就是葉綠素吸收太陽光能，同時把空氣中的二氧化碳和土壤中吸收的水經過分解合成的有機物質葡萄糖，并釋放出氧氣。光合作用是地球上一切生命的根本源泉，它決定了農業生產的本質。所以，農業生產不能違背熱力學定律，應該遵循這一規律為人類可持續發展提供條件。

一提到現代農業相信人們的第一反應就是歐美的石油化學農業，但是我們今天說的不是這個農業生產模式。雖然這種農業模式高產但是人們沒有看到它高產背后的高投入，其實這種農業模式是掠奪式發展，它是高強度機械化和使用大量的農藥化肥破壞了土地原來的循環模式，打破了它的自然循環過程。熱力學第二定律是一個熵增加定律，大量的使用化肥農藥使土壤的熵值快速增加加速了土地的破壞。所以現代農業應該是減緩熵增加速度的發展模式。

中國傳統的農業發展是精耕細作的農業制度土地利用率是歐美國家的幾倍。我國講究的是可持續發展而不是高強度的掠奪，我國古代就提倡和諧統一的思想所以中國文明源遠流長。日本的農業家福剛正信先生提出的“自然農業法”就是受到老子的思想啟發。《道德經》上說“萬物并作，吾以觀復。夫物蕓蕓，各復歸其根，歸根曰靜，靜曰復命，復命曰常，知常曰明。”這就是老子的循環思想。在農業耕種中中國就是遵從了這個自然循環的法則才有了中華五千年的歷史文明。富剛正信根據這一思想提出農業中不施化肥讓土壤中的微生物自己來維持平衡。

以上生產方式就是通過減少農藥、化肥的使用來控制熵的急劇增加，讓農業回到原來農業耕種模式的基礎上再提高糧食產量。像人類耕耘的其他領域一樣，農業領域是我們運用熱力學定律，特別是熱力學第二定律給予關注的領域。現代農業就是要向著控制熵增加的方向發展。實現中國古代傳統農業：即天、地、人和諧統一的觀點。

三、節能與熱力學第二定律

熱力學第二定律效率∈既考慮了能的數量，又考慮了能的質量，比∈明確合理，且最大值為1，便于作綜合用能系統和各類熱能設備相比較。熱力學第二定律效率是從經典靜力學的角度考慮的，而未考慮技術經濟以及熱動力學有關的許多理論和實際問題，從技術上考慮，∈接近1是可能的。合理的用能原則是使能源的質量與用戶需要的質量相對應，下面舉兩個例子說明一下。

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

我們還可以從計算的角度來分析節能與熱力學第二定律的關系，我們用一個能量的質量函數有效能來表示。根據有效能的定義，熱流Q的有效能為

式中：Q代表熱傳遞，T代表熱源溫度，T0代表環境溫度，△S代表過程熵變上式即為熱力學第二定律的一種表達式。再有熱力學第二定律普遍式，對隔離體系

上式說明，熵變是不可逆的，一切實際過程總是向著熵增大的方向進行。

顯然，熵變等于過程中熵的產生。由于熵是無效能的度量，熵產生意味著無效能增加，有效能減少，能的質發生變化。因而熱力學第二定律可表達為：體系有效能損失=體系不可逆性，由此可知，減少過程的不可逆性就能減少有效能損失，這就是節能。

總之，人們談起節能時首先想到的是熱力學第一定律，而對如何從熱力學第二定律的原理出發考慮人們并不熟悉。通過以上介紹我們應該了解熱力學第二定律對節能的重要性。我們應該重視熱力學第二定律并把它運用到我們的日常生活中。