工业文明的痼疾——垃圾问题的热力学阐释及其推论

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4。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。
三、人体与城市作为物理系统
任何由物质构成的系统，都可以看作是一个物理系统。对于人类社会，也可以把它看作一个物理系统，考察它的物质和能量的输入和输出以及转化。
首先考虑一个相对简单的物理系统——人体。与热机相对应，人体这个系统有如下特征：
1.开放系统：人体需要从外界吸收物质和能量，也需要排放物质和能量。这就是新陈代谢。人需要食物、水、空气，也需要阳光。食物不仅要提供人体所需要的物质，还要提供人体活动所需要的能量。同时，人还需要排泄，把人体内不再需要的物质和能量排到体外，比如粪便、呼出的气体、汗水等。人作为恒温动物，要保持相对稳定的温度，也常常需要散热。出汗主要是为了散热，而不是排水。
2.准周期性系统：人体作为一个物理系统，存在几个周期。一是自身的周期，比如肺部一呼一吸是一个周期，心脏一收一放是一个周期；二是响应外部世界的周期，比如昼夜、四季、晦朔，分别对应着地球的自传、公转和月球绕地球的转动周期。为了说明问题，我们只考虑自身的周期，比如呼吸。人体这个系统在一呼一吸之后，并没有回到系统此前的状态，而是处在与原来相似的状态。如果系统完全回到原来的状态，人就不会变老。所以人体的周期性是准周期。但是，如果不回到与原来状态相似的状态，则系统就谈不上周期性，那样的话，一个人在一呼一吸之后，就不再是原来的人。每个人独特的个体属性将不存在。