展望未来：对能源问题的思考

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关于能源问题，我们最熟悉的莫过于热力学第一定律，也就是能量守恒定律。这条定律容易使人产生一个误解：“既然能量是守恒的，那么我们为什么还要节约能源呢？”但实际上，真正与能源技术息息相关的是热力学第二定律。
　　热力学第二定律是从人们对发动机、确切的说是热机的研究过程中引伸出来的。与第一定律规定的“守恒”不同，第二定律给出了能量的流动方向：一切能量，总是从有序转变为无序，最终当整个体系完全处在无序状态时，无论整个体系的温度和能量有多高，人们也无法利用它。
- @$ d* g9 A& m* V　　那么什么是无序的能量、什么是有序的能量呢？我们看看人类自己身边的情况。
/ {, u$ s+ J2 {　　人类能够利用的能源，归根结底有四种来源：1、太阳光能，以及由它转化而来的生物能、化学能、水能、风能，另外还包括被太阳光加热的某些物质（如热带海水）与周围环境所形成的温差；2、核能，主要包括聚变能源（氘）和裂变能源（铀、钍）；3、地热资源；4、引力能，主要表现为潮汐。这些能源中，光能、生物能、引力能、化学能和核能都是有序的能源。例如，化学能实际来源于化学键对原子的束缚和释放，核能则是来源于核力和电磁力的竞争。而热能则有所不同：只要存在温度差，即存在冷源和热源，那么仍可说它是有序的。这种有序将体现在能量从热源向冷源的单方向流动，当冷源和热源的温度差消失后，流动必将消失，体系就处于无序状态了。
2 U  F4 T* V. {　　热力学第二定律描述了我们生活的宇宙中一种不可抗拒的客观现象：有序的能量终将归于无序。这就如同一座大楼倒塌了，将变为一堆瓦砾，但一堆瓦砾单凭自身将永远不会变成一座大楼一样。我们到目前所证明和观测到的现象无不如此。同样，所有有序的能量，当它被释放出来时，总是以热为终点。而我们能利用的热能，来源于冷、热源的温度差异，在利用的过程中，这些差异最终也会完全消失，变成完全无序的均一状态。所以，每次利用能源，最终虽然不会导致能量的减少，但肯定会导致以熵的增加作为代价，从而使宇宙变得更加无序。
! Y& H/ N0 r7 x& V% V3 c　　不过，与这种悲观前景形成鲜明对比的是：现在的宇宙从能量上看仍然是一个高度有序的体系。人类仍然守候着难以想象的巨大的能量财富：宇宙空间的温度是零下二百七十度，是最好的冷源，把地球的热量源源不断地带走；而太阳和地热是最好的热源，生物能也由于阳光的存在得以不断地补充；核能和化学能则随时可以转变为热源（当然，其中一些已经不算太多了）。
; i' j9 g3 v9 l+ Q5 I# ]+ C　　实际上，从大的范围看来，人类缺乏的并不是能源（第一定律中的能量），也不是能源的有序性（第二定律中的负熵），而是对能源的有效利用方式。
　　现代能源工业的发展为人类带来的最大问题是：人类究竟该如何高效地利用能源。具体到实际应用中，就是：同样多的有序能源，怎样让它们为我们做最大的功。这里面特别值得一提的是化学能。我们知道，现在，也就是二十一世纪初，世界上煤炭储量大约够人类再使用100年，石油储量最多够人类使用50年，而天然气界于二者之间，大约60年。对于现有的每一桶石油，怎样让它使汽车跑得更远，这才是真正值得我们关注的。
　　现在的轿车，汽油机的效率大约在25%左右。也就是说，汽油中只有25%的化学能转变为推动汽车前进的动力，剩下的大都转变为尾气中的热量了。同时汽油机中气缸的温度大约在900度左右，也向外部散发大量热量，这些都大大降低了能量的使用效率。把它与电车对比一下：首先，电车不存在尾气排放带走热量的问题；其次，电动机的工作时产生的热量主要是来自线圈的电阻，其温度也大大低于汽油机。所以，即使考虑到发电厂本身的热量损耗，电机对化学能的使用效率也远远大于汽油机，更何况电能本身可以从其他非化学能的方式转变过来。因此，从对化学能源的使用效率和经济效益来说，电车的优越性远远高于汽车。
　　在别的能源消耗方式上也有这种情况，从热力学第二定律以及上面的论述中给我们这样的启示：对能源的最有利用方式就是尽量避免能量从有序状态向无序状态的转化，换言之，就是减少热量损耗、尽量在常温把它转变为我们需要的动力（也就是功）。
　　近年来的科技发展和应用证明了这一点。举两个例子：一个是燃料电池，可以在常温情况下把燃料中的化学能完全转变为电能，相当于使燃料在常温下燃烧，目前可以使发动机的效率达到65%。另外一个是超导技术，由于线圈中的电阻为0，使得磁悬浮列车可以高效地利用电能。尤其值得重视的是：这种情况下磁悬浮列车在刹车时，不是依靠摩擦力，而是通过线圈把车辆的动能又完全转变为电能送回电网中，以此来降低列车速度的目的。整个过程中产生的热量极少。也许这才是二十一世纪人类利用能源的最佳典范吧！

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有思想，有建蒂。思考很独特，支持你继续研究...................

平常心

新课题啊，我真不懂这些，学习学习啊。

toshoot

楼主说的是热效率吧
一般的，燃煤电厂用锅炉热效率的提高一直是世界性难题（世界上发电主要还是燃煤发电，这是事实）
$ g# @1 D2 ~' l- D, L. d  Y5 `2 b, U% L如何减少内燃机和汽车发动机之类的能源损失，这个潜力也已经挖掘的差不离了
总的来说，很难～

rtiany

不错的文章，喜欢读。谢了。

terryl2009

好文章，拜读了！！！！！！

lwg010927

不错的文章！拜读！拜读！

lifagen

混沌中的有序，如何尽量将有序延长或者再发现有序的部分，这种有序的部分为人类使用是一个永恒的课题。