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1.16 人类活动的极限可以用热力学公式表示




在物质世界中,因熵增加出现的效率受限理论已经确立了。从该理论中我们可以得知,熵的增加使发电站和发动机的效率受到限制。

将热能转换成机械能的装置叫热机。核电站、火力发电站和汽车的汽油发动机都是热机。

热机的效率(热效率)有上限这一点已广为人知。例如,在核电站,核裂变产生热能,在热能作用下产生水蒸气,进而带动涡轮机运转,产生能量。但是,由于熵增加的限制,不管技术怎么发展,将热能转换成能量的效率都不会达到  100%。该转换效率与能量的成本直接相关,因此存在极大的经济价值。

虽然人类活动与热机不同,但是与物质一样,人类活动中微观要素间的资源分布和熵增定律也受到相同规律的支配。因此,人类活动和热机一样受到限制。

由于人类活动有很多方面,因此效率的定义也可以是多种多样的。在这里,我们从热力学中类推,选择了最机械性的定义方法,将活动效率定义如下:以活动总时间为分母,以在该活动时间内,目标活动的投入时间为分子,分子分母相除得到的值即为活动效率。用于目标活动的时间比率,也就是在某项活动中可使用的时间比率,称为活动效率。

如果能按照自己的意志来选择活动,那么活动效率可以提高至  100%。但是,如果人类活动遵守热力学定律,那么活动效率就会受到某个上限的限制。熵增定律必须认可活动的“自由”。所谓自由,就是不能将资源全都集中到一项活动上。讽刺的是,认可了自由,就意味着限制了活动时间。

这与热机效率受到熵增定律的限制是同样的道理。正因为原子运动是自由的,热机效率才会受限。

我们在物理学中发现,热机效率上限可以用一个简单的算式来表示,该算式称为“卡诺效率”。卡诺效率的计算方法是“1  减去高温热源温度与低温热源温度之比”。数值越大,卡诺效率越高。

例如,当热机的高温热源是  100  摄氏度(绝对温度为  373  度),低温热源是  0  摄氏度(绝对温度为  273  度)时,卡诺效率就是  1-(273/373)≒0.268,因此效率绝不会超过  26.8%。这是法国军人兼物理学家萨迪·卡诺在研究蒸汽机的效率是否有上限时得出的公式。

如上所述,如果将物质的热力学和人类活动相对应,那么表示热机效率上限的卡诺效率公式也同样适用于人类活动。也就是说,人类活动也存在效率上限。并且令人惊讶的是,卡诺效率公式在数学上也同样成立。我们已经发现的表示人类活动效率极限的公式如下所示:人类活动的效率上限等于  1  减去用于某项活动最活跃的动作值(××次/分)与最稳定的动作值之比。也就是说,该活动中人类活动频带的上限值与下限值限制了效率。

假设写稿时的活动次数是  1  分钟  50~70  次,那么效率极限即“卡诺效率”为  1-50/70≒0.286,效率极限就是  28.6%。由此我们可以预测在  1  天的活动时间内,写稿时间绝不可能超过  28.6%。

真的是这样吗?我们用前面所说的  9,000  个小时的数据,绘制了所有频带的活动效率图。该图表的绘制方法是,随机选出各种各样的频带,根据动作的上限值和下限值算出“卡诺效率”的值(横轴),从实际测量数据中,查出在总活动时间中用于该频带的时间比率(纵轴)。由此我们可以证明,人类的活动效率全都分布在以卡诺效率公式为上限的区域中(图  1-4)。

图  1-4  这是证实人类活动效率与热效率受同一公式限制的数据。活动效率受活动频带(频带下限为  KL,上限为  KH)的限制。

综上所述,人类活动受到的限制与热机是一样的。