摘要：本文由热力学第二定律引入熵来讨论人类活动及环境的关系，通过对人类活动系统及环境系统的熵分析，讨论了环境系统随有序度变化而产生的后果，指出人类活动不能无节制的消耗资源以及破坏环境。
关键词：热力学第二定律，熵，有序度，环境
Abstract：The paper discussed the relationship between the human activity and environment by introduced entropy of the second of thermodynamics，through the entropy analysis of the human activity system and environment system to discuss the consequence of environment’s change with degree of order，pointed out the people can not consume the resources and destroy the environment.
Key Words：second law of thermodynamics，entropy，degree of order，environment
1 引言
熵这一概念以及热力学第二定律的发现及提出，是科学发展历史上的一个重要事件。虽然科学的发展已经涉及了极为广泛的领域，但是熵却没有像科学那么发展迅速，直至今天也没有遍及所有科学领域。熵主要地表达了“变化”和时间方向的特征，是从全域的角度将时间表达为一种内部性质的“变化”。熵这一概念的发现和提出，对人们如何科学地去理解自然的存在和事物演化的基本观点（世界观）产生了积极深刻的影响[1]。
2 熵与熵增原理
热力学第一定律描述了能量的传递和能量转化在数量方面的关系，热力学第二定律是为了阐述与热现象有关的各种不同过程进行的条件、方向及限度的定律[2]。关于热力学第二定律有表达的方式有很多种，这里只介绍其中一种，就是与熵有密切关系的克劳修斯说法。1850年，克劳修斯从热量传递的指向性角度提出：热不可能自发地、不付代价地从温度低的物体传到温度高的物体[3]。
熵是在热力学第二定律的基础上发展起来的。1865年，克劳修斯在研究热力学第二定律，在一个热力学第二定律相关的实验中进行有关任意工质的任意可逆循环验证，发现了一个新的状态参数，并将这个状态参数命名为熵，以符号S表示，即
式1
式1中：
为可逆过程的换热量，
为热源温度
通过式1并联系热力学第二定律的数学表达式，即克劳修斯积分不等式
，当积分等于零为可逆循环，小于零为不可逆循环，大于零为不可能实现。
克劳修斯从自己发现的积分不等式以及绝热熵变（绝热系统即系统与外界无任何能质交换）大于零，得出了熵增原理：（1）孤立系内部发生不可逆变化时，孤立系的熵增大，
；（2）极限情况下，熵保持不变；（3）孤立系熵减少的过程绝对不会出现[3]；（4）孤立系的熵等于各子系统的熵变之和。
3 对自然环境的熵分析
在自然界的系统进化是一种有序的进化，可以说是由宇宙、地球、生命、人类的起源与进化所构成。所有系统都是不同程度的统一，这种统一包括有序与无序，而统一即表现出了事物的秩序。系统向有序化方向发展，有序度就会越来越高；系统向无序化方向发展，有序度就会愈来愈低。我们从对开口系统的熵分析，逐步进入到对自然环境的熵分析。
假设有稳定的工质均匀流经开口系（即系统各点参数不变），过程是一个不可逆绝热过程，如图1。
图1 稳定流动开口系
取开口系作为分析对象，由于是一个稳定流动的开口系，故所以系统里面的各点的参数不变，即开口系的熵变为零，即
。由于
，所以开口系统是有序的。但是由于开口系统是一个不可逆过程，开口系统应该是往熵增大的一个过程，要保持稳定流动的状态，则外界必须对开口系提供负熵流，这个负熵流只能来自除开口系之外的系统。诚然，这是一个特殊的例子，倘若不限定是一个稳定流动的过程且外界无负熵流输入，由于开口系统存在不可逆因数，流动必然是逐渐趋于一个相对静止的状态，即变得无序。把开口系统与外界作为一个孤立系，由于孤立系的熵大于零，又因为开口系统的熵小于或等于零，得出外界的熵是大于零的。
把对上述对开口系统及外界系统的分析扩展到对自然环境的熵分析。由此论证人类活动与自然环境的关系。
对人类活动可以作为一个开口系统，而自然环境可以作为一个环境系统（外界系统），合起来看作一个地球系统，其外界即为宇宙系统，如图2。运用工程热力学的知识，可得出
（1）
式中
是地球系统的熵，
是人类活动系统的熵，
是环境系统的熵。
图2
人类活动这个开口系统是有序的，并且当人类文明越高的时候，有序程度越高。由于要维持人类活动这个开口系统，必然要从环境系统输入一个负熵流，从而使得环境系统的熵变是向变大的方向变化的。通过前文可知，熵增大，即环境系统向无序化方向发展，环境系统的有序度就会降低。而对于整个地球来说，因为太阳对地球输入了能量（负熵流），使得地球系统变得有序。但是太阳对地球系统输入的能量（负熵流）可以看作一定的，而人类活动的各种实践导致地球系统的不可逆程度增大，也就是导致熵增大，使得环境系统的有序度降低。从（1）可以看出，当人类活动系统造成的不可逆因数越大，则会使得环境系统的熵不断增大，也导致地球系统的熵增大，倘若人类系统造成的不可逆因数使得地球系统的熵大于零，就会造成地球系统变成了一个无序的状态。
4 结论
从上述，对环境系统的熵分析，可以得出一些结论。随着人类文明不断发展，人类的活动的范围不断扩展，但是资源是有限的，而人类对能源消耗、对环境的改造不断地加大，从而导致了环境系统的有序度降低。而环境系统的有序度降低了，超越了环境系统全面自我调节的能力，则导致了各种自然灾害的发生。所以，人类应该注意到自己的生产实践活动对自然环境的破坏，应该减少毫无节制的能源消耗以及对自然环境的破坏。在降低人类活动的熵的情况下，改善自然环境，使得自然环境的熵维持一个较少的数值，提高自然环境的有序度。随着人类对自然环境的重视，以及对能源利用的提高，会减缓环境系统的熵增。
参考文献：
[1]汤甦野.熵：一个世纪之谜的解析 合肥：中国科学技术大学出版社，2004
[2]热力学三大定律.百度百科.2017
[2]沈维道等.工程热力学 北京：高等教育出版社，1983
[3]余丽芳等.用熵和简化生态系统熵模型论生命及生存环境的关系 北京：北京建筑工程学院学报，2002
[4]黄顺基等编.自然辩证法概论 北京：高等教育出版社，2004
论文作者:温煜沛
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/16
标签：系统论文; 热力学论文; 人类论文; 自然环境论文; 定律论文; 环境系统论文; 地球论文; 《基层建设》2017年第23期论文;