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《能源超限战》连载六:缘起:“能”的本质、形式和转化(下)

(2022-07-15 18:56:54)
标签:

陈思进

金融

绝情华尔街

商战

杂谈

分类: 大国粮食

(思进注:近日,因俄乌之战,能源问题几乎每天刷屏,各类分析更是众说纷纭,注意到有些分析是事实的陈述、逻辑自洽;不过,好些判断则可能失之偏颇。恰好在近10年前由我策划,和庞忠甲先生合著的《能源超限战》(2016年06月01日出版)分析了能源问题的方方面面,特别是结论点出:“人与动物的差别不在于对工具的利用,更在于对能源的利用。一直以来,能源危机之说虚虚实实。石油和矿物燃料告罄有日,而新能源尤其是非常规油气资源的发展,却使得当代能源危机成为一个伪命题”……现在看来毫不过时,那就从07月06日开始,特选摘其中部分内容,和大家分享……)

万物运动之本:“能”的本质、形式和转化

(接上)热力学有三大定律。第一定律就是能量守恒定律:物质内能增加等于外界做功加上吸收的热量。

如果我们需要考虑的仅仅是热力学第一定律,比如我们烧掉一块煤,它的能量并没有消失,那我们滥用那万世不竭的能源也就无所顾虑了。然而我们知道实情并非如此简单,煤燃烧后,转化为二氧化碳和其他气体以及灰分,虽然燃烧过程中能量并没有消失,但我们却再也不能把同一块煤重新烧一次来做同样的功了。

热力学第二定律解释了这个现象。 它告诉我们每当能量从一种状态转化到另一种状态时,我们会“得到一定的惩罚”。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。这就是所谓的“熵”(Entropy,源自希腊文“内在的变动”)。

“熵”的概念的诞生,可谓石破天惊,极大地深化了世人对于能量转化规律性的认知,由此掌握了关于热机效率的极限及其可加改进的重要努力方向。

法国政治家兼科学家拉扎尔.卡诺(Lazare Carnot,1753-1823)1803年在“运动和平衡的基本原理”中提出,任何一个机器的运动部分的加速和冲击,总是存在着“有用”的能量逐渐“耗散”这一固有的趋势。基于上述研究,1824年,他的儿子萨迪·卡诺(Sadi Carnot,1796-1832)1824年提出著名的“卡诺循环”理论,指出所有的热机的工作都需要存在温度差,当热量从热机高温的(热的)一端向热机冷的(低温的)一端转移时,热机获得了原动力,但不可避免地损失了有效能量;高温端的温度越高,低温端的温度越低,热机获得的原动力越大,也就是说“耗散”损失越少,“热效率”越高,反之亦然。这是对热力学第二定律的最初洞见。

例如蒸汽机之所以能做功,是因为蒸汽机系统里的一端很热,而另一端却很冷。换言之,要把能量转化为功,一个系统的不同部分之间就必须有能量集中程度的差异(即温差)。当能量从一个较高水平的集中程度转化到一个较低水平的集中程度 (即由较高温度变为较低温度) 时,它就做了功。重要的是每一次能量从一个水平转化到另一个水平,都意味着下一次能再做功的能量就减少了。比如河水越过水坝下时,可被用来驱动水轮发电,或做其他形式的功。然而水一旦落到坝底,就处于不能再做功的状态了。河水处于高位或低位的两种不同的能量状态,分别被称为“有效的”或“自由的”能量,和“无效的”或“封闭的”能量。

“熵”这个名词,系由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius,1822-1888)于1865年首次提出,是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位。

根据热力学第一定律,能量既不能被产生又不能被消灭,而根据热力学第二定律,某一系统中能量只能沿着一个方向,即“耗散”的方向转化,形成一定的无效能量,亦即“熵”增加了。

“熵”的增加意味着有效能量的减少。每当自然界发生任何事情(运动),一定的能量就被转化成了不能再做功的无效能量。被转化成了无效状态的能量,相近于我们所说的“污染”吧。

热力学第三定律是对熵的论述:只有理想气体的绝热可逆过程中熵的变化为零;在绝对零度(分子运动静止状态)下,任何完美晶体的熵为零;可是理想气体和并绝热可逆过程并不真实存在,也达不到绝对零度,所以现实物质的任何过程中,系统的熵总是在增加。当一个封闭系统达到稳定平衡时,熵就达到最大值。

光看热力学第一定律,说明宇宙中能量的总和不变,也就是从来就没有变化,一直就存在着。好像说明宇宙无始无终。

按照热力学第二、三定律,宇宙中的熵值在不断增加,等到熵值达到最高时,一切运动到此“终结”,整个宇宙就“死亡”了。

有终结就必然有开始,说明宇宙有始有终。宇宙有一个“零熵”的起点(最可能的有序状态)。仿佛一个上紧发条的钟,在某一点它充满有效能量,随后便开始慢下来直到停止。问题是,谁给钟上了弦?

于是,神学家出来说话了:这两条定律互不矛盾。说明宇宙中的能量是“无中生有”,也就是神造出来的。

热力学第二定律是建立在对实验结果的观测和总结的基础上的定律,虽然在过去的一百多年间未发现与第二定律相悖的实验现象,但始终无法从理论上严谨地证明第二定律的正确性,或放之宇宙皆准的普遍性。

人类的认知是有限的,但是不能把今天认知以外的东西就简单归结为神。

(思进注:除注明作者之外,所有文章皆为思进原创。原创文章,谢绝未保留作者相关信息的任何形式的转载。【免责声明】本文仅代表原作者个人的论述和观点,敬请读者自行判断。内容或者数据仅供参考,不构成任何具体投资建议、不作任何商业用途、更不对其真实性负责。投资者据此操作,风险自担。)

 

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