3.1 自然科学基础

人类在生产和生活过程中需要各种形式的能量，其中最为广泛的是热能、机械能和电能。不同形式的能量之间可以相互转化。对于天然气、石油、煤等常规能源，除一部分作为化工原料使用外，绝大部分都在各种燃烧装置(如锅炉、内燃机)中通过燃烧，把化学能转化为热能。对于太阳能、风能、生物质能、水能、地热能等新能源，可以通过先进的转化技术加以利用。例如，地热能、太阳能可以直接转化为热能；热能既能直接使用，又能通过热机装置转化为机械能。水力通过水能机、风力通过风力装置可以转化为机械能；机械能通过电动机或电炉可以转化为电能。最终用户(包括生产和生活)可以得到热能、机械能和电能的供应。图3-1所示反映了新能源与各种形式能源之间的转换关系及遵守的规律。

3.1.1 热力学基础

太阳依靠其内部连续的核反应产生大量的能量，每天辐射到地球表面的能量大约相当于2.5亿桶石油，每秒辐射到地球上的能量相当于500万吨标准煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、生物质能等新能量都源于太阳能。人类利用太阳能的历史悠久，最古老而又简单的利用方式是晒太阳取暖、晾晒粮食等，即通过将太阳辐射能转化为热能加以利用。伴随着工业文明的发展，传统转化利用方式的低效率不再满足现代社会的发展需求，需要通过更先进的转化方式对新能源加以利用。工程热力学便是研究热能和其他形式能量之间转化规律，以及提高转化效率方法的学科。

1．热力学第一定律

热力学第一定律，即能量守恒定律，描述了过程状态变化所遵循的物质和能量守恒。运动是物质存在的形式，是物质的固有属性，能量是物质运动的度量。自然界一切物质都具有能量，能量既不能被创造，也不能被消灭，而只能从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，总量保持不变。

人类为满足自身生存和发展的需要所进行的一系列针对新能源的转变、输送和利用过程，都遵循质量守恒和能量守恒定律。太阳通过辐射将大量的能量传递到地球上，它不可能凭空消失，人类可以通过一定的装置，把一个时期内暂时不用的多余热量储存起来，转化成其他形式的能量使用。

2．热力学第二定律

热力学第二定律描述过程变化的方向所遵循的规律：即自发过程是不可逆的；要使非自发过程得以实现，必须伴随着一个适当的自发过程(消耗功)作为补充条件。不可逆过程总是朝着熵不断增加的方向进行。

统计热力学中的熵表示分子热运动的无序程度，熵越大，分子热运动的无序度越高。热力学第二定律所描述的熵增加原理，适用于判断孤立系统中自发过程的方向。现实中，系统通常是开放的，与环境有着密切的物质和能量交换，如果要使系统回复到原先的有序状态，必须对其做功。因此，热力学第二定律的更普遍形式可用熵增加量表示如下。

dS=d iS+deS

d iS为熵产，是由系统内部不可逆过程产生的熵增；deS为熵流，是原系统环境的熵增量，表示由于系统和外界环境的相互作用所产生的物质和能量的流进或流出。熵产永远大于0，熵流则可正可负。若deS=0，则dS=diS>0，此时，属于孤立系统的自发过程情形。

在经济系统的生产和消费过程中，物质和能量被使用的过程，例如石油燃烧、电功变成废热等，虽然在总量上遵循物质守恒和能量守恒，但质已经发生变化，无序度明显增加，物质和能量的可用程度降低。若这些正熵被无限度地排放到与经济系统密切相关的生态环境中，就会造成我们常见的环境污染问题。

3.1.2 动力学基础

动力学基础理论揭示了能量转化与功之间的关系，它是自然界中各种形式运动的普遍规律，以太阳能、风能等为代表的新能源通过转化可以转变为热能、电能等形式的能量，从而提供物体机械运动的能量。例如，通过风力机可以把风的动能转化为机械能，水电站可以利用水位差将水的势能转化为电能。

1．动能定理

物体具有的动能大小可表示为：。力在一个过程中对物体所做的功等于在这个过程中物体动能的变化，即，其中，Ek2表示物体的末动能，Ek1表示物体的初动能；ΔW 是动能的变化，又称动能的增量，也表示合外力对物体做的总功。

动能定理的表达式是标量式，当合外力对物体做正功时，Ek2>Ek1，物体的动能增加；反之则Ek1>Ek2，物体的动能减少。

2．动量定理

物体之间往往具有机械运动的相互传递，在传递机械运动时，产生的相互作用力不仅与物体的速度变化有关，而且与它们的质量有关，即p=mv(m为物体质量，v为物体速度，p为物体运动具有的动量)。同时，物体在力的作用下会引起运动的变化，不仅与力的大小和方向有关，还与力的作用时间长短有关，即I=Ft(F表示作用力，t表示作用时间，I表示力产生的冲量)。

动量定理的规律为：在某一时间间隔内，质点的动量变化等于作用于质点的力在此段时间内的冲量。如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变。

3．机械能守恒定律

质点系因运动具有的能量叫动能，因相对位置变动具有的能量叫势能。某瞬时动能与势能的代数和称为机械能。对于保守系统，质点系仅在有势力的作用下运动时，机械能保持不变；对于非保守系统，质点系还受到非保守力的作用，机械能是不守恒的。

经济社会中，大多数系统都是非保守系统，当质点系受到摩擦阻力等作用时，摩擦力做负功，质点系在运动过程中机械能减少，称为机械能耗散；当质点系受到太阳能、风能等外力的作用时，这些力做正功，则质点系在运动过程中机械能增加，这时，外界对系统输入了能量。

从能量观点来看，无论什么系统，总能量是不变的，机械能的增或减，只说明了在这过程中，机械能与其他形式能量(如热能、电能)的相互转换而已。

4．爱因斯坦的质能关系

爱因斯坦的质能关系式E=mc2阐明了物质的质量与能量之间的关系，物质可以被看作是高密度的能量，在通常的反应中，系统释放出能量，其内部的质量减少，但减少的质量相对于物体的静质量而言是微乎其微的。在核反应中，反应释放巨大的能量，系统的静质量发生很大的改变。质能关系成为核能释放的理论基础。然而，在人类的可控核聚变技术成熟以前，太阳内部的核聚变能量是循环经济系统赖以存在的负熵流的主要来源。太阳能负熵流有两种利用途径。

(1) 以煤、石油、天然气等化石能源形式存在的历史负熵流。其实质是由古代生物固定下来的太阳能，经过漫长的地质年代形成的，是现有社会经济系统生产和消费过程的主要驱动力，但随着环境污染和能源枯竭的压力增大，迫切要求寻找更为清洁和高效的方式来利用这些短期内不可再生的资源。

(2) 以太阳能、风能、水电、生物质能等形式存在的当前负熵流。对目前人类的时间跨度而言是可再生的，是社会经济系统未来的主要驱动力。循环经济系统应当寻求对当前太阳能负熵流的深度开发利用。

3.1.3 生物学基础

生物学是自然科学的一个门类，它是研究生物的结构、功能、发生和发展规律以及生物与周围环境的关系等的科学。20世纪生物学关于人与自然关系的研究，唤醒人类对赖以生存生态环境的重视。太阳能是人类可以利用的最强大的可再生能源，而生物的光合作用则是将太阳能固定下来的最主要的途径，深入地研究生物圈中物质和能量的循环规律，并在人类的经济生活以及其他社会生活中，正确地运用这些规律，有利于促进生物能更好地为人类服务。生物学基础主要由三部分组成：耗散结构理论、协同论、突变论。

1．耗散结构理论

耗散结构理论最早由伊里亚·普里戈津(Ilya Prigogine)教授于1969年提出，该理论主要研究耗散结构系统与环境之间的物质与能量交换关系及其对自组织系统的影响等问题。建立在与环境发生物质、能量交换关系基础上的结构即为耗散结构，如城市系统、生命系统、环境系统等。

耗散结构理论为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变，即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。可见，耗散结构出现的三个条件为：远离平衡态、系统的开放性、系统内不同要素间存在非线性机制。

(1) 远离平衡态。普里戈金指出，非平衡是有序之源。远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这样才可能使系统具有足够的反应推动力，推进无序转化为有序，形成耗散结构。例如，扩散现象中，将两种不同浓度的溶液混合在一起时，物质分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散，直至两者浓度相等。

(2) 系统的开放性。由热力学第二定律可知，在个孤立系统中，系统会自发地朝着熵增加的方向发展，直到熵达到最大值时，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统不会出现耗散结构。而在开放系统中，系统通过与外界进行物质和能量的交换，不断从外界向系统输入反应物(即负熵流)来使系统的有序度不断增加；同时，通过从系统向外界输出生成物(即正熵流)来使系统无序度不断减少。最终，系统从无序进入有序的耗散结构状态。

(3) 系统内不同要素间存在非线性机制。系统内的不同要素间具有非线性作用机制能够使系统具有自我放大的变化机制，有利于产生突变行为和相干效应、协同动作，以异乎寻常的方式重新组织自己，实现有序。相反，如果只是具有线性作用，那么要素间的作用只能是线性叠加产生的增长而难以产生质的飞跃并实现有序。

环境系统、社会经济系统都属于耗散结构，这些系统内部不断产生正熵，使系统朝着混乱的方向发展，但由于系统自身具有复杂的层次和结构，只要通过不断地从外界引入负熵流，进行新陈代谢，就能实现系统自身在空间上、时间上或功能上的有序状态。新能源提供了重要的负熵流来源。

2．协同论

前联邦德国斯图加特大学教授、著名物理学家哈肯(Hermann Haken)于1971年提出协同的概念，1976年系统地论述了关于协同理论。客观世界存在着各种各样的系统；社会的或自然界的，有生命或无生命的，宏观的或微观的等，这些系统看起来完全不同，在整个环境中，却存在着相互影响而又相互合作的关系，尤其在事物从旧结构转变为新结构的过程中，系统内部各要素之间存在着强烈的协同机制。

协同论强调不同系统之间的共性，它以远离热动平衡的物理系统或化学系统来类比和处理生物系统和社会系统，除设计了许多物理、化学的模型外，还设计了许多生灭过程、生态群体网络和社会现象模型，比如“社会舆论模型”、“生态群体模型”、“经络模型”、“人口动力模型”、“捕食者——被捕食者系统模型”等。以人与自然组成的生物群体系统为例，在这个系统中存在着三种关系：竞争关系、捕食关系和共生关系。一方面，人与动、植物竞争生存空间，同时，人类享受着植物光合作用提供的能量来源，且以动植物为基本的食物来源；另一方面，人类必须保证其他各种生物数量协调消长和动态平衡，才能使生物群体适应环境而生存。

在发展新能源的过程中，必须保护和尊重自然生态系统各要素间的协同机制。生物质能在经过几十年的探索，国内许多专家都不认同过度开发生物质能，认为它不但会抢夺人类赖以生存的土地资源，更将可能导致社会的不健康发展；如果大规模开发地热能，必将破坏区域地面表层土壤环境，从而导致生态环境的变化。

3．突变论

突变论研究的是非连续的变化现象。在自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等非连续的变化现象。20世纪60年代末法国数学家托姆(R. Thom)通过解释胚胎学中的成胚过程而提出突变理论。

突变论认为，系统所处的状态，可用一组参数来描述。突变过程是由一种稳定态经过不稳定态向新的稳定态跃迁的过程，表现在数学上是标志着系统状态的各组参数及其函数值变化的过程。即使是同一过程，对应于同一控制因素临界值，突变仍会产生不同的结果，即可能达到若干不同的新稳态。当参数在某个范围内变化，该函数值有不止一个极值时，系统必然处于不稳定状态；反之，系统处于稳定状态。

自然生态系统中，常规能源的储存有限，在过去的百年间，人类为片面追求经济的增长而大量消耗、浪费能源，并由于能源使用的外部不经济性带来了环境污染问题。经过积累，最终导致能源危机、生态破坏等问题全面爆发，成为制约国民经济和人类社会发展的“瓶颈”。人类迫切需要发展清洁无污染的新能源，改变社会能源使用现状，使社会进入和谐、稳定、可持续的发展状态。