热力学第二定律与耗散结构[转]

拈药童子

一、热力学第二定律与耗散结构

可持续发展是一个与我们的生活密切相关的话题。我们正在面临着一场危机，很多人包括政府官员与普通公众，都没有意识到，我们的生活可能在50年以后甚至可能在30年以后，发生巨大的转变。这个转变是会带来灾难的。我用了几年时间对山西、内蒙、新疆等能源大省进行考察，对国家公布的一些能源数据进行分析，得出的结论让我感到非常的焦虑和不安。我觉得我有责任向公众说明我们所面临的危机，以及我们应该采取的对策。


热力学第二定律告诉我们，整个宇宙的自由能都处在不可逆转的耗散之中。一个杯子摔在地上，它会自动愈合起来回到桌子上，可能吗？不可能。这张纸我把它撕碎了，它能自动愈合到没有撕开的状态吗？不可能；如果要让它重新变成一张完整的纸，那就必须重新化浆，消耗新的能量。一滴墨水滴到水中，墨水会自动扩散，这个也是不可逆转的，它不可能自动退回到水墨分离的状态。世界不可逆转地趋向于混乱和无序，这就是热力学第二定律给出的时间之矢。人们把世界的混乱程度定义为熵，那么热力学第二定律也被人们称之为增熵定律。


这是一个加油站，汽油加入汽车以后跑到哪里去呢？燃烧了。燃烧后的汽油能回收到加油站来再利用吗？不可能。如果说燃烧后的二氧化碳和水经过光合作用被植物固定，再经过亿万年的地质变迁成为石油，那这个过程远远超出了人类的生命周期，实际没有任何意义。这个灯光为什么会发亮？是因为有电，电从哪里来？来自于煤炭的燃烧。这就是沙岭子电厂，北京电力的主要来源。我们每天坐电梯，不是电梯自己动，是因为煤炭燃烧推着它动。电灯发亮、电梯移动，这些都是煤炭的燃烧和化石能不可逆转的耗散。


热力学第二定律是在19世纪中叶由克劳修斯和开尔文发现的，他们在寻找永动机的时候，发现了能量耗散这个无法逾越的障碍。那么从热力学第二定律提出后一百多年，人们就一直感到迷惑，这个世界的自由能在不可逆转地耗散，那世界就应该不断地退化，趋于无序，那为什么我们的社会却又在不断的进步呢？


很多的物理学家和经济学家一直试图回答这个问题，都没有成功。差不多一百年以后，一位比利时的物理学家普里高津，提出了耗散结构理论，才找到了问题的答案。普里高津因此获得了1977年的诺贝尔物理学奖。原来对于孤立系统来说，熵值趋于最大，有序结构会趋于瓦解；但对于开放系统来说，因为不断有能量输入，系统就可能会进化。为什么呢？因为自由能的积累会使得系统处于“远离平衡态”，系统的基元通过“涨落”和“试探”，会自发地去寻找到将能量耗散出去的方式，并形成一个有序的“耗散结构”。——这就是普里高津所阐述的“通过涨落达到有序”的原理。


举个很简单的例子，譬如一个装了水的漏斗，在静态情况下，水分子是做无序的布朗运动，我们无法观察到。但把漏斗的嘴打开，水在下泄的过程中，会自发地形成一个旋涡，形成一种有序的集体运动！这个漩涡就是一个耗散结构！没有水流的自由能耗散，旋涡的结构就会瓦解。那为什么这个水分子会组织起来形成旋转运动呢？就是通过“试探”和“涨落”，水分子突然“发现”，如果它们能够以旋涡的集体运动而下泄的话，水流的速度会快得多！


所以耗散结构的有序是以自由能的耗散为前提的，它并不违背热力学第二定律。生态系统的进化也一样，必须依靠太阳能的耗散，没有了太阳能，就没有光合作用，所有的物种都不能生存，生态系统必定瓦解。从植物到动物到高等动物，太阳能都沿着食物链以每一级10%的比例迅速地衰减耗散了。


我们知道地球上本来没有人，甚至连生物都没有，在46亿年之前的原始海洋中，为什么能够产生出原始生命，并且会不断进化？没有人也没有上帝去促进这种进化，这种进化完全是自发的，所以生命的诞生其实就是太阳能耗散过程中自发形成的耗散结构。生物种群和生物群落的形成也同样如此。我们看到在一块岩石上，本来就没有任何生命能够生存，但有一种蓝藻和真菌结合在一起，蓝藻进行光和作用，真菌吸收岩石里的无机盐，他们彼此互相协作，形成一种能够利用太阳能的叫“地衣”的共生体，这就是一个最简单的生物群落型耗散结构。


人类社会也是一个耗散结构，因为社会的进化和生物的进化是一脉相承的。一直到有了工业文明，社会才发生了质的转变。什么质的转变呢？这就是瓦特发明了蒸汽机，使人类开始了对化石能的耗散。我不同意原始社会、奴隶社会、封建社会、资本主义社会的划分方法，从对能源利用的历史来讲，人类社会应该分为史前社会、农业社会和工业社会更准确一些。农耕文明是利用太阳能，工业文明是利用化石能。工业社会应该是从蒸汽机的发明开始的，人类在短短200年中，创造了超越过去200万年财富的总和。这是为什么？200年相对于人类历史的200万年，仅仅是一个瞬间，这个财富就爆发出来了，就是因为化石能，才推动了工业文明的诞生。

二、中国的煤炭40年用完

我们享受着工业文明所带来的种种好处，我们的衣服来自于化学纤维的纺织，要消耗化石能；我们吃饭要依靠化肥、农药，也离不开化石能；我们使用的电脑，它的芯片运转也离开不了化石能。——那么问题也就因此而来。这是在人民大学南门北三环上拍的一张照片，那么多的汽车，灯火辉煌，那么灿烂！大家有没有想过，突然某一天，我们眼前的这种兴旺景象会不再存在？北京的夜晚没有灯光，一团漆黑，汽车变成一堆废铁，需要人推着才能走？


我们看看中国能源的结构，这是生产结构，70％的煤炭、17.2％的石油、3.2％的天然气，这三者加起来，我们对不可再生能源的依赖超过了90％。这是中国能源的储量结构，可再生的水能以100年计，只占总量的9.5％，其他都是化石能。也就是说，若干年以后，当化石能枯竭的时候，现在的工业文明成果，有90％将不能运转！


化石能的消耗能够持续多久？如果按目前的速度下去而不加以抑制的话，可能几十年，中国的煤炭就会用完。我跟很多中国顶尖级的能源专家都讨论过，说化石能用完了怎么办？他们都认为人类总会有办法的。


中国的煤炭资源1886亿吨，这是国土资源部公布的可开采数量。现在我们年消耗19亿吨，可以用100年。但问题是，据发改委的可靠消息，现在全国已经上马的电厂装机容量达3亿千瓦！而我们已有的整个装机容量也不过3亿多千瓦，当这些电厂建成投产之后，中国煤炭消耗将增加到每年32亿吨，60年就可以把我们的煤炭全部用完。


这还是乐观的估计，国土资源部1886亿吨的储量是如何得出的，公众都不清楚，但即便这个数据可靠，那么考虑到动态的开采效率，这个数据是要打折扣的。中国目前的煤炭开采效率是32％，但实际上一些小煤矿回采率只有15％！如果考虑煤炭开采率会不断下降，以及无序开采的问题，这1886亿吨煤炭可能40年或者35年就会被用完。


这是非常真实的危机！如果你认为这是危言耸听，那危机就会真实地降临！不停掉现在在建的3亿千瓦燃煤电厂，30多年以后煤炭就会被我们用完！


2040年大家50来岁的时候，再到人民大学相聚，走进这屋子里，是黑洞洞的。我讲话大家也听不见，没有麦克风；笔记本电脑用不了，因为没有电。这是中关村的标志性建筑数码大厦，有35层高，2040年我们必须爬到35楼去上班，因为没有电梯。爬上去以后，发现屋子里是黑的，厕所是臭的，因为水抽不上来。爬上去得花一个小时，然后肚子饿了又得爬下来。这数码大厦还有什么用呢？真是没用了，一片废墟！

三、可再生能源无法替代化石能

有人说，可以发展可再生能源，可以发展核能。可这根本解决不了问题！中国现在核能只占1％的比重，如果装机容量扩大十倍就会造成铀的短缺，要进口的话那是非常敏感的，别人不会卖给你。还有核废料的问题，辐射污染可以持续一万年，非常麻烦，人类如果受到铺天盖地的核辐射的伤害，很快就会灭绝。


那么核聚变，第一是不可控，第二是不安全。至少目前还看不到核聚变可控的希望。那么即使将来核聚变可控了，那也是不安全的。对核能的利用，就好像是把人类绑在了一个火山口上。有人预言，在人类将来的某一天，或许是一次小小的事故，或许是一次恐怖活动，或许是一场战争，仅仅是一个瞬间，整个世界就全完了。——没有赢家，没有输家，也没有见证者。


中科院的何祚庥院士是一位德高望重的能源专家，他搞了几十年的核工业，结论就是核能不可能解决中国的能源问题，中国的发展只能靠可再生能源。而另一位蔡睿贤院士则认为，可再生能源与矿物能源是无法比的，风能和太阳能都太昂贵，人们无法接受。


可问题还不仅仅是昂贵这么简单，昂贵的问题可以通过增加供给来使它的价格降下来。问题在于，风能、潮汐能、太阳能等等可再生能源，这些东西是算起来大，用起来少。风能、太阳能的密度与化石能是无法比的，在化石能枯竭的情况下，不管人们付出多大的努力，它们都不可能替代化石能。


就拿太阳能来说，理论上太阳能的储量是风能的8倍，可以供4个地球的需要，但真正利用起来是一个什么情况呢？事实上，我们现在就有最大、最廉价、储能最稳定的太阳能工厂，这就是绿色植物的光合作用！我们将来的太阳能工厂，能做到像现在的绿色植物那么大吗？把菜地、田边、屋角的所有太阳能都利用起来，把荒山野岭上的太阳能都利用起来，我们可能吗？我们将来的太阳能工厂，能像绿色植物这样的廉价吗？廉价到自动自发，完全不需要管理成本？还有储能，将太阳能转化成葡萄糖，这是最稳定的储能形式，我们能做到吗？说到抽水蓄能，那太阳把全世界的水都抽上来，然后从天上流下来，这不是最大的抽水蓄能？那不已经被我们作为水力发电利用了吗？难道以后的太阳能抽水蓄能能够超过现在的水力发电？


说白了，太阳能只不过是一个画饼，其实根本就不可用！通过制造太阳能硅片来发电，这是瞎扯！制造硅片本身的能源与资源消耗与它的生命周期中所能固定的太阳能相比，根本就是不合算的，至少远不如利用生物质能那么简单和成本低廉。


事实上，化石能的本身就来自于太阳能，是在地球上积累了数十亿年的太阳能，我们两三百年就把它用完了。大家想一想，太阳现在每天赐给我们的能量，怎么可能与它在数十亿年之内赐给地球的能量相比呢？


所以人类不要以为自己有多么了不起，认为自己一定能够想出替代化石能的办法，人类应该撒泡尿照照自己的影子！你是个什么东西，你只不过是太阳能照射下诞生出来的一个耗散结构！所谓的工业文明也只不过是化石能耗散的一种表现形式！化石能枯竭工业文明就必定崩溃，因为这两者是同一回事！

四、停滞才是硬道理

中国的情况可能会更糟糕，三十年或者六十年以后，我们就必须没有选择地、无可奈何地接受化石能枯竭、核能不可利用、可再生能源严重不足这样的局面。我们会想很多的办法，但是想不出来。


那结果会是怎样呢？结果是死人就会跟死鸡一样！全世界60亿人口必须有五分之四要离开这个世界。实在没有办法，我估计人们就会求助于宗教，大家都认为死人是应该的，是向天国的回归。


化石能绝对枯竭以后，钢铁炼不出来，机械化程度降低，交通萎缩，商品交易的范围缩小，最终会导致粮食的绝对减产。到时候我们靠什么维持如此庞大的人口生存？我们解放初才4亿人，现在到了13亿。世界人口的爆炸就是在短短的两百年之内实现的。那么多人都依赖化石能生存，一旦化石能枯竭会是一个什么结果？我觉得这个问题应该去问国家领导人，去问世界的首脑们，我们现在如此地挥霍，我们能拥有一个什么样的未来？


美国现在是世界最强大的国家，化石能枯竭以后，美国能怎样？飞机飞不起来，军舰也不能用，有什么好神气的？那么多人住在七八十层高的楼里上不去也下不来，整个纽约成为一座死城。现在全世界30％的化石能是美国消耗的，化石能枯竭以后，他们将首当其冲。


这是化石能的消耗曲线，从瓦特到现在，短短两百多年时间，世界的年化石能消耗从接近于零迅速窜到90亿吨标准煤，然后很快地衰竭！今天我们如果不居安思危，结果将会死得很惨！邓小平说，发展才是硬道理，但我们需要的是可持续的发展！化石能的消耗曲线就好像是一座冰山，我们现在的发展就好像是一条泰坦尼克号船，当泰坦尼克号即将撞上冰山的时候，我们要说，“停滞才是硬道理”！


那些大建燃煤电厂的人是要遭到天谴的！把本来应该属于我们子孙后代的煤炭，在几十年内就全部烧掉，这是犯罪！你不建那么多电厂，节约一点，把化石能留到哪里不行吗？就要过圣诞节了，但我一看到那些圣诞树我就恶心，灯光闪烁，那都是在燃烧煤炭，一棵圣诞树要烧掉几公斤的煤炭，煤炭烧一点就少一点，大家有没有想过，可能500年之后，这几公斤的煤炭能够挽救手术台上的一条生命？我们为什么不替我们的子孙后代想一想呢？


还有污染的问题，我今天不打算专门讲，我给大家发了一本书，叫《电厂，我为你哭泣》，大家可以回去看。这本书有两个结论，就是北方的水源枯竭和沙尘暴都是因为燃煤发电引起的。大家看这个封面照片，山坡溜光溜光的，那是因为二氧化硫这个“空中死神”把山烧成了这样。山光了就存不住水，所以桑干河在20年之前还可以过渡船，但现在已经变成了一条工业下水道。以前是汾河流水哗啦啦，现在却是汾河污水哗啦啦。化石能的燃烧还会导致气候的变化，带来各种灾难性后果。总而言之，燃烧化石能的环境问题，将会使危机提前到来。所以我建议大家千万不要在北京买房子，这不是长久的地方。

五、能用可再生能源决不用化石能

当然我们还是会有缓解危机的办法，问题是怕政府领导人不重视。怎么缓解呢？唯一的办法就是发展可再生能源。化石能好比沙漠里的一瓶水，留在那里不去用它，关键时刻能救我们的命。既然化石能如此的宝贵而且不可替代，那么我们应该确立一条原则，那就是，在有可再生能源利用的时候，一定要首先利用可再生能源！风能哪怕它是100块钱一度，我们也必须首先利用风能！货币只是一个符号，我们要看到实际利益，我们每利用了1度风能，就节省了357克不可再生的煤炭，而在将来的某个时刻，这357克煤炭的价值可能要超过100块钱。我们不要等到化石能频将枯竭的时候再后悔，说如果人类在200年之前就利用风力发电，那不知道要给我们节省多少宝贵的煤炭！——我们现在就确立“能用可再生能源就不用化石能”的原则，将来我们的子孙就不必埋怨我们。


那么100块钱一度的电公众用不起怎么办？这时候政府应该有所作为，就是把这100块钱一度的电平摊到化石能中，使得在消费终端人们只需要多支付几分钱，就能够用到风力发出的电，化石能应该承担起这个补贴的责任。事实上，风力发电目前的成本是6毛钱一度，只要稍许的补贴，其竞争力立即可以超越火力发电。



确立“先用可再生能源后用化石能”的原则，还有一个好处，就是可以让化石能充当一个储能的电池，来弥补风能的不稳定。煤炭的储能是最稳定的，这就是现成的电池，如果等到煤炭枯竭以后再想到去制造储能的电池，那无疑是非常糟糕的而且甚至是不可能的！那么在煤炭还没有烧完的时候，我们优先利用风能，在风能的不稳定时让火力发电充当电池的功能进行补给，这不就相当于把煤炭作为电池了吗？


人类现在还有机会，有充裕的时间来避免危机，使我们的生活方式与后化石能时代接轨。风能、水能与生物质能是人类文明可持续的惟一选择。我们觉醒得越早，就越能避免灾难。考虑到可再生能源的密度非常低，风能、水能和生物质能加起来只能养活现在人口的1/4，那么在化石能耗尽之前，人类应该使人口负增长，在100-200年之内，使人口数量减少3/4。人类如果自觉地计划生育，就可以避免在化石能枯竭时措手不及而大规模非正常死亡的悲剧。

六、高耗能产业是WTO对中国的经济侵略

除了发展可再生能源之外，节能也是非常重要的。节能可以分为直接节能和间接节能。所谓直接节能就是提高物理能源利用效率，包括开采效率、储运转化效率和终端利用效率。中国是一个以煤为主的国家，直接节能的潜力并不大，主要是煤炭的回采率比石油和天然气要低很多，这与以石油为主的西方国家没有可比性。当然，直接节能还是可以做很多的工作，譬如冷热电联产，可以将能源利用效率由单纯发电的35%提高到85%，潜力非常大。


关键还是间接节能，就是降低单位产值的能量消耗，发展低能耗高附加值的产业。国家发改委主任马凯也在人民大学发表过一次演讲，阐述这次宏观调控对钢铁、水泥、电解铝等高耗能的产业的限制，这真是太好了。高耗能产业是不可持续的，千万别搞！还有WTO，如果WTO的顺差要靠高耗能产业来积累，这就是WTO对中国的一次经济侵略！巴西、菲律宾是有前车之鉴的，这两个国家因为核心竞争力欠缺，加入WTO以后欠了一**股债，巴西欠债达一千亿美元，因为它搞不出高附加值的东西。欠账怎么办？发达国家告诉它，把你的资源卖给我，我把我的钢铁工业、汽车底盘放到你那里来生产。这样好了，可以还账，但资源则是不可逆转的破坏，亚马迅丛林被砍伐，留下了一个烂摊子交给了自己的国民，他们将世代与贫困相伴。我一直对WTO持谨慎观望态度，如果WTO把中国变成一个世界工厂，变成高耗能国家，那么资源耗尽之后，中国将会比拉美化更惨，这么多的人口负荷，危机一旦爆发，我们可能会像撒哈拉沙漠以南的国家一样，成为贫困、饥饿与艾滋病的天堂。

七、征收电力增容税，储备可再生能源发展基金

可持续发展必须依靠节能和可再生能源，这就是科学的发展观。那么科学的发展观靠什么政策措施，去把它变成现实呢？

征收电力增容税将会是我们的唯一选择。牵牛要牵鼻子，只有推行了电力增容税，科学发展观才能借助于市场的力量，变成13亿人民的自觉行动。没有这项措施，“科学发展观”说上一万句，那都是隔靴搔痒，没任何作用。

前不久从新京报读到过一篇文章，说电力危机的病灶不是经济增长，而是电力增容费的取消。在2001、2002年电力增容费取消之后，电力危机突然爆发了，这两年电力的供应增长比往年大，但电力的需求却更大！电力增长的弹性系数达到了前所未有的1.3，也就是电力增长1.3倍，GDP才增长1倍！这种现象是以前是没有的，以前都是电力增长慢，GDP增长快，电力弹性系数小于1。可见电力增容费取消以后，大量的高耗能产业跑到中国来了，因此导致了电力危机。


电力增容费取消是部门利益作怪的结果。面对亚洲金融危机以后的电力过剩，电力部门为了促销，就取消了电力增容费。但在西方国家，电力增容费一直是有的，美国波士顿用电的一次性接入费达1200美元/千瓦，另外在我们国家天然气入网也是要缴一次性入网费的。


电力增容费被取消之后，按理说对电力企业的投资非常不利，但现实的情况，电力初投资的风险被印钞机转嫁了。新上的这3亿千瓦的电厂，很多连资本金都靠银行贷款。他们希望在消耗化石能的道路上毫无顾忌地走下去，又有印钞机撑腰，当然不在乎增容费。


电力部门不愿意恢复增容费，那么从国家的能源安全出发，由国家财政开征“电力增容税”可能是比较好的一个办法。以后新入网的电力负荷，每一个千瓦征收5000元的电力增容税，缴入国库。


开征这个税有3个好处，第一可以限制高耗能产业的继续扩张，电荒的问题立马可以得到解决，疯狂的矿难与资源浪费也会得到收敛；第二有利于节能产业的发展，今后人们用电将主要通过节能而获得，专门从事节能的能源服务公司将获得巨大的市场发展空间，“惜能如金”将变成每一个公民的自觉行动；第三，可以用这笔收入储备“国家可再生能源发展基金”，补贴给风力发电等可再生能源，政府将会有充足的财力来推进可持续发展。——这三条，都是科学发展观的具体体现！我们运用财政工具来促成经济调控的目标，也符合市场经济的惯例。


武器非常简单，就看敢不敢用。


无论如何，我们不能在消耗化石能的道路上继续走下去，否则40年以后煤炭枯竭，我们90%的城市建设将毁于一旦，数以亿计的居民要面临灭顶之灾。我们把13亿人的发展和存亡都寄托在不知从何而来的新能源开拓上，这个赌注下得太大。退一万步讲，即使中国的煤炭还可用一千年，对化石能的节制依然是明智的选择，滥建燃煤电厂依然是一种犯罪。

我们有理由过问，因为这关系到每一个中国人的未来。


注：本文为笔者04年12月4日在中国人民大学发表的演讲，一个字都没有改动。那时候我发现“高耗能产业的扩张，是WTO对中国的经济侵略”，但我们没有发现这个扩张，是专门为美国人扩张的。更没有发现，美国人还会把我们奉献资源的成果，再通过“次贷危机”掠夺回去。

资源很重要，事关民族存亡。美国人没有资源可以卖，经济衰退，那是上帝的意志。因为工业文明所导致的经济增长，就是矿物能源的爆炸，美国的矿物能源已经消耗光了，只能靠海湾的石油和中国的煤炭，而美国人换取石油和煤炭的手段，就是武力、欺骗和讹诈！

西方式民主，普世价值，美国价值观，自由，人权，美国人就卖出这些东西给中国，然后他们从中国换走的，就是货真价实的资源！中国港口的船舶，出去都是满的，回来都是空的！所以从中国运一个集装箱到美国，要5000美金的运费，而从美国运回来，只需要300美金！因为他们卖出的是“美国价值观”，当然用不着用船来装！

价值观，甚至政治制度，其实都是由资源决定的。什么叫“文化”，著名学者阿城的解释，“文化”的本来含义，是“纹化”，也就是“形成纹理”、“形成规则”。什么规则？资源分配的规则！所以政治制度、普世价值，其实是资源分配过程中所自发形成的规则！

美国现在没有资源了，当然也失去了制定规则的权力。以后世界的规则应该由中国来确定。因为中国还有一千多亿吨煤炭，只要不让阿拉伯人自相残杀的海湾悲剧在中国重演，那么中国理应成为世界的老大！

中国绝对不要为美国白白奉送资源！我想，包括所有的中国人在内，包括“继续购买美国国债”的胡晓炼、周小川在内，也会认同这个逻辑。

找到了这个战略方向，那么中国的崛起，无法阻挡！

因为，这是上帝的力量！




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出于吴辉的强国博客——抵御美国经济侵略

拈药童子

因为自由能的积累会使得系统处于“远离平衡态”，系统的基元通过“涨落”和“试探”，会自发地去寻找到将能量耗散出去的方式，并形成一个有序的“耗散结构”。——这就是普里高津所阐述的“通过涨落达到有序”的原理。

股票市场涨跌机制

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都是混沌理论的东西,曾经做过深入的研究 snicker

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水分子突然“发现”，如果它们能够以旋涡的集体运动而下泄的话，水流的速度会快得多
类比，自然法则的影响下，涨跌走势也可以是按阻力最小原则走

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