本文发表于《云南师范大学学报》2010年第六期，pp45-55. 发表时版本略有差误，这里做了校正。1，第50页（此版本第7页）中引文使用了正文普通字体，未能变成楷体，也未打引号；2，发表版中注释[20]非本文所有，疑为误植。发表文本的英文摘要为编辑部所加，特此致谢。此文本所附英文摘要在发表版本的基础之上做了适当的校正。

此文发表于“人地关系研究”专栏。作为本期栏目主持人，我还约请了另外一篇关于垃圾问题的文章：北京师范大学历史系博士候选人毛达之《海洋垃圾污染及其治理的历史演变》。主持人的话附在本文后面。

【这里是前两章，欲读全文及其中图片，请下载PDF文档。工业文明的痼疾——垃圾问题的热力学阐释及其推论 】

工业文明的痼疾——垃圾问题的热力学阐释及其推论

田 松[1]

（北京师范大学哲学与社会学学院，北京，100875）

【内容提要】垃圾问题以往被认为是枝节问题、技术问题、管理问题，一直没有得到足 够的重视。本文从热力学出发对垃圾问题进行分析。一个人，一个社区，一个城市，都可以看作是类似热机的物理系统。这种有序的具有某种功能的物理系统持续运 行的前提是，从外界输入低熵状态的能量和物质，并向外界输出高熵状态的能量和物质。后者就是这个物理系统的垃圾。根据热力学第二定律，垃圾是系统必然的产 物。因而在工业文明的社会结构下，在地球有限的约束下，技术进步不能解决垃圾问题，反而会使垃圾问题更加严重。垃圾问题将会超过能源问题，成为未来人类社 会最严重的问题。人类解决垃圾问题的唯一出路在于，走出工业文明，寻找一个新的文明模式——生态文明。

【关键词】垃圾，热力学第二定律，工业文明，生态文明

在主流意识形态和大众话 语中，垃圾问题一向被视为是枝节问题、技术问题、管理问题。如果某个地方出现了垃圾问题，人们首先会觉得是管理者失职。有一个比较普遍的乐观的说法，叫做 “垃圾是放错了地方的资源”。即相信垃圾问题是工业社会的副产品，可以随着技术的进步得到解决，乃至于变废为宝。

2009年 可以算作中国的垃圾年。在这一年里，中国的垃圾问题全面爆发，垃圾围城、垃圾处理场超负荷运转、垃圾填埋场提前退役、垃圾填埋场的空气和地下水污染、垃圾 焚烧场选址纠纷等各种与垃圾相关的事件在全国范围内此起彼伏。单是围绕垃圾焚烧厂，就有北京六里屯和阿苏卫、上海江桥、南京天井洼、广州番禺和李坑的群众 性事件[2]。如果把与液态垃圾和气态垃圾相关的事件考虑进来，则事态更加严重。

本文将从以热力学为基础，讨论人类社会与垃圾的关系；讨论工业文明的社会结构下，垃圾问题的必然性。

一，垃圾的界定

中文“垃圾”一词最迟到 宋代已经成为日常话语，其含义和用法与今无二。《新华字典》“垃圾”词条的释义为：“废弃无用或肮脏破烂之物”。其中，“废弃”是关键。废弃不等于无用， 无用也不一定被废弃。“废弃”这个词里，隐含着人的主观色彩。“废弃的”就是“不想要的”。“垃圾”这个词的特殊性在于，它不具体指向任何东西，但是任何 东西都可能成为垃圾。一个土豆，放在菜板上，不是垃圾；扔到厨房的垃圾桶里，马上就变成了垃圾；一个无用的手机，一直在抽屉里放着，不是垃圾；扔到客厅的 垃圾桶里，马上就变成了垃圾。因此，可以对垃圾做一个非常简单的操作定义：所谓垃圾，就是被扔到垃圾桶的东西，被排除到系统之外的东西[3]。

当然，“废弃”与“无 用”又存在关联。就我们将要讨论的物理系统而言，被废弃的，是不能或者难以被这个系统所利用的。“废弃”，是指被我们界定的系统所废弃。在自然界中，一种 系统废弃的物质（如粪便），可能会被另一个系统所需要。对于我们所讨论的问题而言，“垃圾”是被人类社会所“废弃”的东西。

二，热机与热力学第二定律

热力学是第一个直接从对技术的研究中产生的自然科学分支。它最初的研究对象是蒸汽机（热机）。蒸汽机是工业革命的首要动力，但蒸汽机的效率非常之低，只有百分之几。提高蒸汽机的效率是当时工程师所关注的重要课题。1824年，法国工程师卡诺（Sadi Carnot, 1796―1832年）以热质说为基础，通过对热机效率的研究，给出了后来热力学的几乎全部基本定律。

热力学虽然从研究热机出 发，结论却是普适性的。无论什么样的物质系统，都要遵从热力学的基本规律。爱因斯坦对热力学钦佩有加，他说：“一个理论，如果它的前提越简单，而且能说明 的各种类型的问题越多，适用的范围越广，那么它给人的印象就越深刻。因此，经典热力学给我留下深刻的印象。经典热力学是具有普遍内容的唯一的物理理论，我 深信，在其基本概念适用的范围内是绝不会被推翻的。”[i]

热力学有两个重要的基本定律，第一个定律是人所熟知的能量守恒定律，这个定律虽然不是完全从热力学中产生出来的，但被归到热力学名下。在爱因斯坦的狭义相对论（1905年）诞生之后，由于著名的质能转换关系E=mc²，这个定律在理论上与另一个古老的化学定律——物质不灭定律就合并成了一个，可以叫做物质与能量转化与守恒定律。物质不灭，能量守恒。这个定律说，物质和能量既不能凭空创生，也不能凭空消失，只能从一种形态转化成另一种形态，并在转化的过程中，保持总量不变。这个定律无需过多阐释。

相对而言，热力学第二定律不大容易理解。

为了研究热机的效率问题，卡诺设想了一种理想的热机（后人称其为卡诺机），它以理想气体为工作物质，在两个热源之间，通过卡诺循环，对外做功。[ii]

图 1，热机示意图                                                   图 2 卡诺循环示意图

图一左， T₁代表高温热源， T₂代表低温热源。热机在两个热源之间工作；图一右是热机的示意图。图2是卡诺循环的示意图。卡诺循环大致如下：

1，等温膨胀：热机先接触高温热源T₁，吸收热量Q₁，工作气体达到温度T₁，等温膨胀，推动活塞对外做功W₁；

2，绝热膨胀：热机离开高温热源，在绝热状态下膨胀，对外做功W₂，热机工作物质的温度降到T₂.

3，等温压缩：热机接触低温热源T₂，向低温热源释放热量Q₂，外界对活塞做功W₃。

4，绝热压缩：热机离开低温热源，在绝热状态下，外界对活塞做功W₄，压缩工作气体，使之升温至T₁，活塞回到原来位置。

在这个循环中，热机对外界所做净功为W=W₁+W₂-W₃-W₄。由于能量守恒，热机对外所做的功等于它从高温热源获取的热量Q₁，减去它传递给低温热源的热量Q₂，即W=Q₁-Q₂。热机的效率η=W/Q₁=1-Q₂/Q₁。

卡诺证明，卡诺热机的效率η=1-Q₂/Q₁=1-T₂/T₁，只与两个热源的温度有关，与热机工作物质的属性没有关系。因而提高热机效率的关键在于提高T₁，或者减少T₂。

卡诺循环是一种理想的状 态，如果卡诺循环的每一个步骤都无限缓慢、无限均匀，卡诺循环是可逆的。卡诺证明，可逆热机效率是最高的，并且所有可逆热机的效率都相同。而现实中的任何 热机都不可能是可逆的。因而，现实中的任何热机的效率都低于卡诺热机。可逆与不可逆，是引伸出热力学第二定律的关键。

卡诺去世后，克劳修斯（Rudolph Clausius, 1822-1888）和开尔文（Lord Kelvin 1824-1907）分别对卡诺总结出来的规律进行研究和阐发，给出了热力学第二定律的两种表述方式。

克劳修斯表述（1850年）：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。热从高温物体传到低温物体，这个过程是可以自发进行的，比如热水和冷水隔着容器相遇，热量传导，最后成为温水。但是这个过程不可逆。一个盆里的温水，自发地一半变成冷水，一半变成热水，是不可能的。

开尔文表述（1851年）：不可能从单一热源吸取热量，使之完全转变为功，而不产生其他影响。以热机为例，只有高温热源T₁没有低温热源T₂是不可能的。热能够转化为功，但是不可能完全转化为功。就是说，热机的效率不可能达到100%。 如果热机在没有低温热源的情况下也能工作的话，就是一个永动机。让一个这样的热机，从任何一个单一热源，比如海水中吸热，哪怕使海水的温度降低一点点，所 释放的热量完全转化为功，对于人类来说，也是无穷的能量。然后，由于有热力学第一定律，这些能量在使用之后，还是要转化为热能，就可以重新使海水升温。这 样，人类就有了取之不竭的能源。这种装置虽然不违反热力学第一定律，但是违反热力学第二定律，故称为第二类永动机。反过来，热力学第二定律也可以表述为： 第二类永动机不可能实现。

第一定律说的是物质和能量的守恒和转化，第二定律说的是，物质和能量的转化是有方向的。但是，哪些过程可以自发进行，哪些过程不能？

克劳修斯指出，在热力学系统中，还有一个隐藏很深的状态量，他命名为“熵”（entropy）。 熵来自希腊语，意为“转变”。所谓状态量，是指描述系统状态的量，比如体积、温度、内能，都是状态量。系统的熵值也是标志系统状态的一个量。这个量，就与 系统的“转变”有关。它规定着系统自发过程的方向。一个孤立系统（与外界既无物质交换又无能量交换）能够自发地从低熵状态转变到高熵状态，而不能自发地从 低熵状态转变到高熵状态。就好比说，一个物体可以自动地从高处落到低处，而不能自动地从低处升到高处。采用熵这个概念，热力学第二定律就有了一个简单的表 述：一个孤立系统的熵的变化大于或等于零。如果系统的初始状态没有达到热平衡，则系统会自发地达到热平衡，这是一个熵增的过程。到达热平衡之后，系统的熵不再变化，此后熵增为零。所以，热力学第二定律也被称为熵增加原理。

“熵”与“功”有密切的 关系。一个系统处于低熵的状态，就有更强的对外做功的能力。系统对外做功，熵增加，就失去了对外做功的能力。就如一个物体在高处具有势能，具有对外做功的 能力；当它从高处落到低处，对外做功，也就失去了对外做功的能力。所以里夫金对热力学第二定律有更加通俗的解释：能量总是从能用的，变成不能用的。[iii]

熵增加原理是针对孤立系的，对于非孤立系，稍作变通，也可以使用。比如把系统放大，把系统相关联的部分包括进来，成为一个更大的系统；或者对系统做一个明确的边界，考虑进出边界的能量流和熵流。

热力学第二定律可以对现 实物理世界的很多现象给予解释。比如，从冰箱里取出一块冰，放在手上，冰化成水，水又化成气，从手掌中消失，与此同时，室内的温度略有降低，湿度略有增 高。这个过程是我们能够见到的，是一个正常的过程，一个熵增的过程。但是相反的过程——伸出手掌，掌心慢慢变湿，凝结出一颗水珠，水珠越来越大，最后变成 一个冰块，与此同时，室内的温度略有增高，湿度略有降低——虽然不违背热力学第一定律，但是违背第二定律，所以这个过程不会发生。

在宏观上，试图脱离卡诺循环，脱离公式，准确地理解熵的概念，是不容易的。1877年，玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann，1844-1906）为熵找到了微观的解释，把熵定义为系统某一个宏观态的微观可到达态的对数[iv]。 通俗一点儿，可以把熵理解为系统混乱程度的量度。熵值越高，系统越混乱。一个由气体构成的系统，其宏观状态是一个个分子的微观状态所决定的。不同的宏观状 态，对应的微观状态的数目是不一样的。某一宏观态所对应的微观状态的数目越多，该宏观态的熵越大。微观状态数目越多，系统就有更高的几率呈现出其所对应的 宏观态，因而系统会自动地从微观状态数目少的宏观态，变化到微观状态数目多的宏观态，使得系统的熵增加。比如说，在 桌子上放一千个全同不可分辨的硬币，起初，可以让所有的硬币国徽朝上，这时硬币系统的熵最低。随机地持续地拨弄硬币，有些硬币会被翻过来，也可能再被翻过 去。但是，我们可以肯定，在足够长的时间之后，国徽朝上和朝下的硬币数目会大体相同。上下各一半的宏观状态，所对应的微观状态的数目最多，系统熵最大。继 续随机搅动硬币，再经过同样长的时间之后，可以预期，系统会一直处于这个上下各一半的状态，熵达到极大，不再增加。但是，不可能预期会有某个时刻，所有的 硬币回到初始状态，整整齐齐地亮出国徽。虽然理论上存在这种几率，但是几率小到实际上不可能发生。硬币数量越多，越不可能。

熵这个概念虽然最初是针对“能量”的，但是采用玻尔兹曼的微观解释之后，也很容易从“物质” 的角度加以考虑。简而言之，物质在聚集的状态下，熵低；离散的状态下，熵高。比方说，人从矿石中提取硅，使硅由离散的状态变成聚集的状态，这是一个熵减的 过程，为此，人要对矿石做功，付出能量，如果把整个矿山和加工厂作为一个大系统，则大系统熵增；然后，把硅切割开来，放到一个个电子零件中去，硅由聚集态 重新变成离散态，熵增。再比如，把一堆红豆和一堆黄豆作为一个系统，当红豆和黄豆分别堆放时，熵低；把它们混在一起，熵增加。

回过头来考虑热机这个系统，它有如下特征：

1，封闭系统：热机与外界有明确的边界，与外界没有物质交换，但是有能量交换，从高温热源吸收，向低温热源放热；

2，周期系统：热机一涨一缩是一个循环，每经过一个循环，系统回到原来的状态。

3，有序系统：热机承担某种功能，对外做功。

显然，热机这个系统的运 行是建立在两个前提之上，一是从系统之外（高温热源）吸收低熵状态的热量，二是向系统之外（低温热源）排放高熵状态的热量。二者缺一不可。对于热机这个有 序的周期系统而言，从高温热源获得的热量，是维持系统运转的能量；而排向低温热源的热量，则是热机自身所不需要的，必须排除系统之外的——它是热机的废 热，是热机的垃圾。