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从热力学定律中理解能源危机和环境问题

Ys1010121019热能一班刘凯锐

一、熵、热力学定律和能源

熵（entropy）指的是体系的混乱的程度，最初是根据热力学第

二定热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律，有下

述表述方式：

①热量总是从高温物体传到低温物体，不可能作相反的传递

而不引起其他的变化；

②功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断

地把所接受的热量转变为功,而不产生其他任何影响（即无法制造

第二类永动机）；

③在孤立系统中，实际发生的过程总使整个系统的熵值增大，

此即熵增原理。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增

加。热量dQ由高温(T1)物体传至低温(T2)物体，高温物体的熵减

少dS1=dQ/T1，低温物体的熵增加dS2=dQ/T2，把两个物体合

起来当成一个系统来看，熵的变化是dS＝dS2+dS1＞0，即熵是

增加的。律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。

因此从熵率的增加，可以看出能量利用效率和能量品味的降

低，从而人们就要通过耗费自然资源代价来利用能量。

熵”的概念一开始就和能的概念关系密切，克劳修斯当初把

“

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“熵”定名为entropy，是德语“能量”的词冠“en-”和变易的词根

tropien“”相组合。他说：我有意把这个词拼成entropy。因为从

热力学意义上看，熵与能的关系是这样的：“熵”增加就是意味着系

统的能从数量上讲虽然守恒，但是“品质”却越来越差，越来越不

中用，被用来做功的可能性越来越小，不可用程度越来越高，这

个就是能量的“退化”。例如：汽车的轮子与地面摩擦生热的过程

是增加熵的过程，摩擦的机械运动变成分子的热运动，机械能变

成了热能，虽然能量守恒，但是要让热能做功，再完全自动地变

成机械能却无此可能。显然，热能的“品质”要比机械能差，热能

的不可用程度要比机械能高，熵的增加意味着能量在“质”的方面

发生了“退化”。所以熵和不可用能关系十分密切。

而“能源”的本质是指能量的来源。例如：太阳辐射到地球表

面上的能量，就是人类使用能量的主要能源。“能源”的第二层含义

是能量资源。例如：存在于自然界中的煤，石油，天然气等化石

燃料，铀，钍等核燃料，以及生物体等都属于能源；由这些物质

加工而成的焦碳，煤气，液化气，煤油，电，沼气等也是能源。

能源是人类生活和生产资料的来源，是人类社会和经济发展

的物质基础。随着科学的进步，经济的飞速发展，以及人口的急

剧增长，人们已经开始认识到能源是有限的，如果不高度重视，

能源枯竭问题将会出现，那后果将不堪设想。能源问题的物理实

质是物质与能量的转化问题，这些转化都为以下三条规律所支

配：

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（1）物质守恒定律：物质可以从一种形式转化成为另一种形

式，但它既不能创造也不能消灭。

（2）能量守恒定律：历史上有不少人为解决能源问题而设计

一种无需输入能量而对外不断做功的机器，这种“第一

类永动机”之所以失败，就是由于违背了能量守恒定律。

（3）熵