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坐飞机和高压锅

已有 5027 次阅读 2007-10-30 14:39 |个人分类:天问|系统分类:观点评述

读完武夷山老师大作《快与省――永远的矛盾》,心里一直有所感,看到Lix先生和武老师的讨论后,又有了些新的想法。

武老师大作其意在于说明“节省时间,一是靠空间来换(并行计算的本质是“空换时”),一是靠能量来换”和“目前这种集中化供能方式是不可持续的,也是环境污染的重要原因之一”两个主要观点,我这里有意把问题复杂化。

地球上发生的可观测的变化,不外乎三种过程:物理过程、化学过程和生物过程,其中物理过程主要是物质和能量之间的相互转化,而化学过程主要是化学键的断裂,旧的化合物(或单质)产生新的化合物(或单质),生物过程中极大的比重实际是化学过程。无论是哪个过程,我们把开始的状态记作A,结束的状态记住B,中间的过程记着A->B的话,我们可以知道,只要给定了两个ABA-B如果不考虑同AB两个子系统系统外的大系统的物质能量过程的话,A->B这个过程的能量变化应该是完全一样的。举个例子,用大火烧开水和中火烧开水,水获得的能量是一定的,但是,两种方法消耗的燃气量肯定有不同,原因在于在烧水的同时,火-水形成的小系统还和周围的空气这个大系统发生着热交换。从常识看来,用大火烧消耗的能量要比中火烧小些,因为大火烧烧开水需要的时间肯定比中火烧要短,水-火形成的小系统同空气大系统之间热交换的时间要少些。但这么说并不肯定,因为用大火烧的话,锅的温度升得更快,这样锅和空气之间的温差更大,那么锅-空气之间的热交换更快些。具体的我们可以去做实验,但思考的路子和道理是这样的。

那么,我们来看坐飞机和坐火车之间的资源效率和时间问题。我们知道,飞机也好火车也好,其基本原理都是通过燃烧燃料损耗掉的质量,换为能量,驱动二者前进。是化学过程-物理过程的混合过程,但究其根本,其实都是在跟引力较劲火车克服因引力引起的摩擦;飞机的情况要复杂些,首先要克服引力升到空中,其次要克服因引力带来的空气摩擦,其实升空也可以看成是一种摩擦,因为升空的动力是基于空气流过机翼产生的升力而得来的。不管机理如何,要比较两种方法的能耗,其实是可以很直接计算出来的,直接看从A点到B点,二者分别做了多少功。我们大可不必如此麻烦,因为我们从二者的票价直接可以反映出差别来,比如北京到广州的硬卧4-500元,而飞机肯定要贵些。但如果您就此认定火车比飞机节能的话,就错了。因为单架飞机的载人量远不能和火车相比,也许就每个人而言,飞机的价格比火车要贵,但从总体能耗来看,一辆火车却不见得比飞机消耗小。只是因为他的消耗分配的人更多而已,这就好比公交车比私车环保而已,单辆公车绝对比单辆私车耗能。这实际上是表明:集中式的能源分享,比个体的能源使用,可能要更节约。但是,火车、飞机之间的比较远为复杂,还要涉及到火车、飞机的研发、生产、维护、更新等非运营单位的能量消耗,要谈哪种方式更节能,还很难说。事实上,机票比火车票更贵,更多的是遵循经济学的原理(飞机载人量的相对有限性),所以旺季机票很贵,淡季机票甚至可能比火车软卧票还便宜,就是这个道理。但我们实实在在的看到,飞机要比火车节省多得多的时间,因此,直接说“节省时间,一靠空间,二靠能量”有点问题,这是一个Make Sense,但不见得Make truth的说法。

问题出在什么地方呢?出在对过程描述的不清楚。有些过程,是固定的,简单的。比如,把一壶水烧开,这个过程是固定的,弹性极小;但盖一栋楼,过程十分复杂,弹性很大。多加些人工,多使用重型机械,确实能够加快进度,但成本肯定会增加。而在化学过程中,要更快得到目标产品,需要适当的温度和压强,以及催化剂的使用,这些也是需要更多的投入,也就是能量换时间了。

我们可以用高压锅的例子来说明。用普通锅炖黄豆猪手,至少需要2小时,而用高压锅炖,45分钟就可以了。我们是否能够说用普通锅炖能耗要比高压锅小呢?显然我们不能很自信的这么宣布。

普通锅炖的能耗是:普通锅炖一次锅的折旧成本+需要的燃气数;

高压锅炖的能耗是:高压锅炖一次锅的折旧成本+需要的燃气数;

高压锅比普通锅贵一些,普通锅价格大概在50元左右,而高压锅200-300元左右也能买到一个(便宜的不到100元),二者使用三年都不成问题,假若每周炖一次黄豆猪手,那么三年可以炖150次,每次使用高压锅要额外付出1元左右的成本,但使用高压锅每次减少75分钟的燃气费,60元的燃气费大致可用月余,每天2元,每天2小时的话,1小时1元,这么算来使用高压锅还要划算些。计算不够准确,但道理如此,即便使用高压锅的能耗要比使用普通锅高些,也不会高得很多。

这个例子充分说明,在一个给定简单过程下,时间和能源也许并不那么矛盾(要注意的是,在炖黄豆猪手过程中,由于高压锅温度和压力均高于普通锅,所以可能导致黄豆猪手中一些营养成分发生损耗,严格说来这部分损耗也应该计算在内)。

是什么导致这种情况发生呢?我认为是自封闭系统的作用。

高压锅是一个相对而言的自封闭系统,高压锅把温度和压力能量更好的保护在锅内,使得在一个小系统中,能量-时间-空间的最简约化成为可能,而小系统和系统外的能量交换则尽可能的减少,使得整个大系统的能耗减少。

然而,对于那些过程复杂,无法形成自封闭系统的事件中,能源-时间-空间的矛盾,就不可调和了。

而人类目前资源分配和使用中的问题,本源是欲望的无止境,从技术上来说是:过程复杂的事件越来越多,越来越复杂,但人类又想在更短的时间内得到结果,使得资源的利用率下降;在开放系统中的过程越来越多,使得子系统无法自洽,而必须要破坏大系统的外部性。



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