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闲话能源资本论之三丨能量的基本法则
能量的英文“Energy”一词源于古希腊语，意指“活动、操作”，首次出现在公元前4世纪古希腊哲学家亚里士多德的作品中。公元16世纪意大利科学家伽利略时代已出现了“能量”的思想，但还没有“能”这一术语。能量概念出自于17世纪德国科学家莱布尼茨的“活力”想法，定义于一个物体质量和其速度的平方的乘积，相当于今天所说的动能的两倍。为了解释因摩擦而令速度减缓的现象，莱布尼茨认为热能是由物体内的组成物质随机运动所构成，这种想法与牛顿一致，虽然这种观念过了一个世纪后才被普遍接受。1807年，英国物理学家托马斯·杨在伦敦国王学院讲授自然哲学时，针对当时的“活力”或“上升力”的观点，提出用“能量”这个词表述，并和物体所作的功相联系，但未引起重视，人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。1831年，法国物理学家科里奥利又引进了力做功的概念，并且在“活力”前加了1/2系数，称为动能，通过积分给出了功与动能的联系。1853年出现了“势能”，1856年出现了“动能”这些术语。直到能量守恒定律被确认后，人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值。
费曼：不知道能量究竟是什么
能量虽然是一个常用和基本的物理概念，但同时也是一个抽象的物理概念。能量这个概念，对于普通人来说，似乎极为普通，而且也很好理解。但如果探究能量的本质，对于科学家来说，也是一件极为困难的事情。被认为是继爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家、1965年诺贝尔物理学奖获得者的理查德·费曼说：“重要的是要认识到，在今天的物理学中，我们不知道能量究竟是什么。”能量与物质是什么，以及它们之间为什么要统一，这些问题都隶属于最基本的哲学范畴。爱因斯坦的质能方程E=mc2，或许能够帮助我们正确理解能量的概念，就如同水和冰，能量和质量也是同一种事物，只是由于存在形式的差异，才使它们看起来大相径庭。事实上，能量与时间一样，是所有人都非常熟悉却又难以准确定义的一个概念，我们只能从能量大小的改变和存在形式的转换而触发的一些现象来触摸能量。比如，灶下燃烧的木材把一锅水烧开了，这是木材所蕴含的能量所致；刚才还是肌肠辘辘的一个人，连一步也走不动了，一个面包和一瓶矿泉水下肚，立刻就变得生龙活虎，这是食物和水中所蕴含的能量所致。我们在日常生活中，就是通过这些事实来触摸能量的脉搏的。能量的概念是如此的晦涩，以至于人类理解和掌握能量背后决定性的规律，就更加困难。1820—1940年，大批科学家和工程师为此进行了大量开拓性的工作，驱动整个宇宙的一些内在规律被逐一揭示出来，其中最伟大的成就之一，便是发现了热力学的三个定律。德国哲学家康德说：“一个人的行为在任何时候都应该符合自然法则。”关于热力学定律的重要意义，英国著名化学家、1921年诺贝尔化学奖获得者弗里德里克·索迪说：“政治体制的变革，民族的自由或奴役，商业和工业的运动，富裕和贫穷的来源，最终都由热力学法则决定。”热力学法则，就是能量的法则，它是对人类文明进步驱动力的描述。能量守恒定律
热力学第一定律，即能量守恒定律，其具体表述是：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移和转化的过程中，能量的总量不变。能量具有多样性，物体运动具有机械能，分子运动具有内能，电荷具有电能，原子核内部的运动具有原子能，等等。由此可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应。不同形式的能量是可以相互转化的，“摩擦生热”是通过克服摩擦力做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸汽对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能，等等。这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，而且这一转化过程是通过做功来完成的。热力学发展初期，热和机械能的相互转化是人们研究的主题。在工业革命的推动下，工业上和运输上都相当广泛地使用蒸汽机。人们研究怎样消耗最少的燃料而获得尽可能多的机械能，甚至幻想制造一种机器，不需要外界提供能量，却能不断地对外做功，这就是所谓的第一类永动机。为了解决这个问题，促使人们去研究热和机械能之间的关系问题。德国物理学家迈尔第一个提出了能量守恒定律，而此定律得到了物理学界的确认，却是在英国物理学家焦耳的实验结果发表以后。焦耳于1840—1848年间做了大量实验，测定了热与多种能量相互转化时的严格的数量关系。焦耳的实验表明，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能量的总量不变。能量守恒定律的建立，对制造第一类永动机的幻想作了最后的判决，因而热力学第一定律的另一种表述为：不可能制造出第一类永动机。熵增加原理
热力学第二定律，有两种表述方式。德国物理学家克劳修斯的表述：热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。这是按照热传导的方向性来表述的。英国物理学家开尔文和德国物理学家普朗克的表述：不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全转变为功，而不产生其他影响。这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的，它也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的。热力学第二定律的两种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置，从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二类永动机，它的科学定义是：从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其它影响的热机。由于第二类永动机的效率为100%，虽然它不违反能量守恒定律，但大量事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。第二类永动机违反了热力学第二定律，因此它是不可能制成的。热力学第二定律也称为熵增加原理。熵（Entropy）这个概念是克劳修斯创造的，是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量，其物理意义是对体系混乱程度的度量。1932年，德国物理学家、量子论创立者之一的普朗克来中国南京讲学，浙江大学教授胡刚复为普朗克担任翻译。在普朗克介绍“Entropy”这个词时，胡刚复创造性地将热力学的“火”和数学的“商”组合起来，造出一个新汉字——熵，从此沿用至今。熵增加原理的表述是：在孤立系统中，体系与环境没有能量交换，体系总是自发地向混乱度增大的方向变化，总使整个系统的熵值增大。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加。机械手表的发条总是越来越松，你可以把它上紧，但这就需要消耗一点能量，这些能量来自于你吃掉的一块面包，做面包的麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量，太阳为了提供这些能量，需要消耗它的氢来进行核反应。总之，宇宙中每个局部的熵减少，都必须以其它地方的熵增加为代价。因此，整个宇宙可以看作一个孤立系统，是朝着熵增加的方向演变的。在一个封闭的系统里，熵总是增大的，一直大到不能再大的程度。这时，系统内部达到一种完全均匀的热动平衡状态，不会再发生任何变化，除非外界对系统提供新的能量。对宇宙来说，是不存在“外界”的，因此宇宙一旦达到热动平衡状态，就完全死亡。这种情景称为“热寂”。热力学第三定律也有两种表述方式。其一，绝对零度（T=0K即-273.15℃）时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。其二，绝对零度不可能达到。除上述三大定律之外，还有一个热力学第零定律：如果两个热力学系统均与第三个热力学系统处于热平衡，那么它们也必定处于热平衡。热力学第零定律是热力学三大定律的基础，它定义了温度。因为在三大定律之后，人类才发现其重要性，故称为“第零定律”。耗散结构理论
热力学定律所描述的是系统的演化规律及其方向性问题。根据热力学第二定律，对于事物来说，其能量趋于退化、结构趋于解离、万物趋于灭亡，是一个不可逆的过程，即是一个从有序向无序的发展过程。达尔文的进化论则揭示出生物进化总是从简单到复杂、从低级到高级、从有序程度低的组织到有序程度高的组织进化，即生物世界是从无序向有序发展。由此可见，物理学和生物学所揭示的事物演化过程是两种相反的过程。面对这种局面，比利时物理学家、化学家伊利亚·普里高津发展出一个耗散结构理论。该理论从热力学第二定律出发，讨论了一个系统从混沌无序向有序转化的机理、条件和规律，回答了开放系统如何从无序走向有序的问题，解决了退化与进化的矛盾。普里高津认为，一个典型的耗散结构即宏观有序结构的形成和保持，至少需要具备三个基本条件：一是系统必须是开放系统，即必须不断地同外界进行物质和能量的交换，孤立系统和封闭系统都不可能产生耗散结构；二是系统必须处于远离平衡的非线性区，在平衡区或近平衡区都不可能从一种有序走向另一种更为高级的有序；三是系统中必须有某些非线性动力学过程，如正负反馈机制等，正是这种非线性相互作用使得系统内各要素之间产生协同动作和相干效应，从而使得系统从杂乱无章变为井然有序。他把这种开放的、远离平衡的系统，在与外界交换物质和能量的过程中，通过能量的耗散和内部非线性动力学机制形成和保持的宏观时空有序结构，称为“耗散结构”，它有助于人们理解一个开放的系统是如何从混沌、无序走向规则、有序的，因而具有革命性的意义。一个对象要想在实践中获得存在与发展，必须不断地从外界引入负熵，以抵消对象体内正熵的增加，从而确保对象不断地走向更高层次的稳定有序结构。普里高津也因为此项贡献而获得1977年诺贝尔化学奖。上述热力学的四大定律，可以使我们对热、温度等平时耳熟能详的概念有一个更加深入的理解，从而帮助我们理解能量的概念及其来源；耗散结构理论可以帮助我们理解能量是如何在一个开放系统中进行演化的。这项准备工作，对理解本书的核心概念“能源资本”以及它与社会经济生活中五大核心领域（经济增长、生态环境、技术创新、军事力量和大国博弈）的相互作用效应，是必不可少的。（殷 雄，法国工商管理博士（DBA），研究员级高级工程师。现任中国广核集团专职董事，北京大学兼职教授，兰州大学兼职教授，南方科技大学产业教授，《电力决策与舆情参考》特约专家，中信改革发展研究院资深研究员，中华诗词学会会员。曾在研究机构、中央部委、地方政府和国有大型企业任职，从事企业战略、企业管理和能源资本等领域的学术研究。谭建生，高级经济师，中国能源研究会副理事长，中国广核集团公司副总经理，中国（深圳）综合开发研究院副理事长。曾在国有银行、资产管理公司和国有能源大型企业任职，长期致力于金融、能源、区域经济及法律研究，多次主持国家能源局、中国能源研究会课题研究。已出版《粤港澳大型基建设施策略研究》《深圳建设金融中心研究》等专著、合著12部，发表论文数十篇。）作者：殷雄 谭建生编辑：于艺晨
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