减熵化理论及其应用.docx
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减熵化理论及其应用
减熵化理论及其应用
张国庆
（安徽省潜山县林业局安徽潜山246300）
摘要：
减熵化（RE，reduce-entropy）理论源于减商化（RC，reduce-commercial）理论。
从系统熵的内耗定义ΔS=ΔF/G，我们可以看出，系统减熵化（即减少ΔS），实质就是减少系统内耗ΔF或F，或者增加系统自由焓G。
人类社会的减熵化，不仅仅是要通过减熵化维持系统较高效率的，更重要的是，要符合人类的伦理，要促进人类社会健康发展，也即要公平发展，让全人类共同分享社会发展成果，促进人类社会和谐发展。
关键词：
生态论；减熵化；减商化；自组织；有序化
1.减熵化理论渊源
减熵化（RE，reduce-entropy）理论源于减商化（RC，reduce-commercial）理论。
20世纪八九十年代，我国林业发展中存在只注重“绿化”，忽视林业经济效益的问题，尤其是政府强制命令式的造林方式，不顾市场经济基本原则，违背林业科学规律，盲目选择造林林种与树种，致使造林的生态与经济效益低下，森林健康水平低。
1991年，张国庆根据这一现状，提出了“择市造林”理论。
1999年张国庆在《和谐发展初论》《论和谐发展》《再论和谐发展》以及《试论和谐林业》等文中提出了“和谐发展”与“按需生产”理论，随后又提出了“和谐林业”理论。
2001年，张国庆在《按需育林，和谐发展》、《生态原则与按需育林》、《试论复合生态系统与按需育林》等文中，进一步引入市场经济思想，在和谐林业理论中，将“择市造林”理论进一步提升为“按需育林”理论。
[1～20]
显然，“择市造林”理论是减商化理论的萌芽，“按需育林”、“按需生产”则是减商化理论的进一步发展。
2010年，张国庆在《生态论概述》、《生态论：
复杂系统研究》、《发展学》、《系统法学》等文中正式提出了减商化理论，同时在减商化理论中引入当代互联网、物联网和社会计算、社会制造技术，使得减商化理论得到了进一步完善。
[17～25]
表1减熵化理论发展进程
发表时间
理论
研究对象
主要内容
1991年
择市造林
林业系统
根据市场需求，因地制宜，选择造林树种。
1999年
按需生产
人类社会系统
根据社会需求，进行商品生产。
2001年
按需育林
林业系统
根据社会需求，培育森林。
2010年
减商化
人类社会系统
减少人类经济活动中的商业活动；减少人类社会活动中的无效劳动；提高人类社会劳动效率
2015年
减熵化
复杂系统
抑制系统熵增，促进系统有序化，促进并维持系统健康。
2015年，张国庆基于系统自组织理论和熵增原理，在减商化理论基础之上，提出了减熵化理论。
所谓减熵化，其实质就是通过一定的措施，抑制系统的熵增，促进系统有序化，提高系统的健康水平，并使系统维持在较高的健康水平之上，从而使系统保持足够的稳定性。
这个定义中包含了系统健康这一重要概念。
张国庆2010年在《生态论概述》与《生态论：
复杂系统研究》中认为，系统健康（systemhealth），是指系统具有和谐稳定的结构，可以持续发挥完善的功能，并且安全可靠。
其中，具有和谐稳定的结构，是系统健康的基础；发挥完善的功能是对健康系统的基本要求，也是系统设计的基本目标；只有安全可靠的系统才是健康的系统，安全性差，可靠性低，这样的系统会对其它系统造成伤害，也会危及系统本身安全。
[22～30]
由此可见，减熵化，不是简单地抑制熵增，而是在减熵的基础上，同时还要保持系统健康。
更多的内容，详见参考文献[22]《生态论：
复杂系统研究》中“第一章生态论概述”。
2.减熵化的物理基础
2.1熵的物理学意义
2.1.1熵的物理学定义
在物理学中，熵（entropy）的定义可以简单表示为：
S为熵，Q为热量，T为热源的热力学温度。
ΔS研究对象表示从热源吸收ΔQ热量引起的熵变。
对于可逆过程的热温熵
，只决定于初态A和终态B，与所经历的具体过程无关，因而对应于一个状态函数的变化，这个状态函数由克劳修斯（RudolfJuliusEmanuelClausius）1865年定义：
熵是一个广延量，是一个状态函数，是平衡态的性质。
熵常常用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。
一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。
在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。
也就是说，让一个热物体同一个冷物体相接触，热量总是会从热物体流向冷物体，热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。
克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了上述定义。
2.1.2克劳修斯不等式
由卡诺定理导出克劳修斯不等式，即可逆性判据：
或
对于一个无限小过程，
或
因此，克劳修斯不等式的左式就是不可逆程度的度量。
2.1.3熵增原理
熵增原理（principleofentropyincrease，theprincipleoftheincreaseofentropy）：
在孤立热力系所发生的不可逆微变化过程中，熵的变化量永远大于系统从热源吸收的热量与热源的热力学温度之比。
可用于度量过程存在不可逆性的程度。
也即系统经绝热过程由一状态达到另一状态熵值不减少。
熵增原理表明，对绝热过程，ΔQ=0，有ΔS绝热≥0或dS绝热≥0，大于0时不可逆，等于0时可逆，dS<0过程是不可能发生的（也即不可能发生熵减小的绝热过程）。
可逆过程毕竟是一个理想过程，因此，在绝热条件下，一切可能发生的实际过程都使系统的熵增大，直到达到平衡态。
2.1.4熵的统计力学意义
在统计物理中，熵是大量分子组成的宏观系统的特征。
在统计力学中，熵表示为：
S=klnΩ
式中k是玻耳兹曼常数（Boltzmannconstant），k=（1.380658±0.000012）×10-23J•K-1，Ω是热力学概率，是与一定宏观状态对应的微观状态总数。
系统的微观状态数越多，热力学概率越大，系统就越混乱，熵就越大。
这就是熵的本质，也就是熵的宏观意义。
也就是说，熵可以作为能量在空间分布的均匀度的量度，能量的空间分布越集中，则熵值越小；越均匀，熵值越大。
能量都是在非均匀分布倾向于均匀分布的过程中转化做功的，若要使能量作功，必须在一定的空间中造成能量密度的差异，使能量从高密度区流向低密度区；能量分布越不均匀，有序度越高，则熵就越小，能量转化为功的效率越高；若能量分布已完全均匀，熵达到最大，这时不可能再发生宏观流，也就不能获得功。
熵的含义已被当代科学拓广，泛指体系的混乱的程度，它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学、信息论、社会科学等领域都有重要应用，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义，已经成为各领域十分重要的参量。
2.2焓的物理学意义
焓（enthalpy），物理学上是指单位质量的物质所含的全部热能，又叫“热函”。
焓可以定义为：
式中H为焓，U为热力学能，p为单位面积上压力，V为体积。
焓是一个广延量。
上述定义可以表述为，焓是一个体系的内能U与体系的体积V和外界施加于体系的压强p的乘积之和，但要注意这里压力与体积的乘积pV不是体积功。
系统的状态一定，则系统的U,P,V均确定，系统的H也就确定，故焓H是状态函数，
焓的物理意义可以理解为，在恒压且只做体积功的特殊条件下，Q=ΔH，即反应的热量变化。
因为只有在此条件下，焓才表现出它的特性。
例如恒压下对物质加热，则物质吸热后温度升高，ΔH>0，所以物质在高温时的焓大于它在低温时的焓。
又如对于恒压下的放热化学反应，ΔH<0，所以生成物的焓小于反应物的焓。
2.3自由能
在热力学当中，自由能（freeenergy）指的是在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分，它衡量的是一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“有用能量”。
自由能定义有亥姆霍兹（HermannLudwigFerdinandvonHelmholtz，1821～1894）的定容自由能A与吉布斯（JosiahWillardGibbs，1839～1903）的定压自由能G的定义。
（1）亥姆霍兹自由能
亥姆霍兹自由能又叫功函、自由能、恒温恒容位。
封闭体系在恒温条件下，亥姆霍兹自由能A定义为：
在封闭恒温条件下，
表示体系在恒温过程中，发生不可逆过程，其体系的亥姆霍兹自由能降低值大于体系外所做的功。
对可逆过程，体系亥姆霍兹自由能的减少值等于体系对外所做的最大功。
因此，亥姆霍兹自由能可以理解为恒温条件下封闭体系做功的能力，根本不可能发生亥姆霍兹自由能减少值小于体系对外所做功的过程。
封闭体系在恒温、恒容条件下，
或
封闭体系在恒温、恒容、
条件下，
（2）吉布斯自由能
吉布斯自由能又叫自由焓、恒温恒压位。
封闭体系在恒温、恒压条件下，吉布斯自由能G定义为：
封闭体系在恒温、恒压条件下，
或
封闭体系在恒温、恒压、
条件下，
封闭体系在恒温、恒压只做体积功的条件下，过程的方向是向吉布斯自由能降低的方向进行，一直到G达到最小值不变为止，限度是ΔG=0，可表示为
应该特别注意的是，封闭体系仅仅是恒温的条件下，ΔA判据可用，ΔG判据不可用。
使用ΔG判据时，一定要满足封闭体系恒温、恒压的条件。
更多的内容，详见参考文献[22]《生态论：
复杂系统研究》中“第三章熵与焓”。
3.复杂系统的熵
3.1系统的熵
仿照物理学中的熵与焓的定义，我们可以对复杂系统熵与焓进行类似的定义。
复杂系统的熵，是度量复杂系统混乱程度的参量。
设x、y分别为复杂系统的自变量和因变量，y=f（x），若x、y为连续变量，则复发系统的熵S表示为：
若x、y为离散变量，则复发系统的熵S表示为：
设Py为系统出现状态y的概率，k为系统常数（因系统不同而不同，因参量不同而不同），系统的熵还可以表示为：
为了区分二者之间差别，我们把前者叫做参量熵（parameterentropy），后者叫做概率熵（probabilityentropy）。
3.2系统的有序度
系统的有序度（degreeoforder），是系统有序程度的度量，与熵相对。
根据研究对象和选择参量的不同，有序度D可以表示为：
3.3复杂系统的焓
（1）系统的能
系统的能（energy），是系统保持运转的动力，也是系统发生发展的潜力。
就一个具体的系统而言，能可以是物质的，也可以是非物质的，例如信息、能量等，这随着我们的研究对象和选择的具体参量不同而不同。
例如，对于一个企业而言，我们要研究其财务状况，那么，这个企业的系统能可以选择货币来表示；如果我们要研究这个企业的生产效率，我们可以选择企业的能耗、物耗以及产出来表示这个企业的系统能，或者将其换算成货币后表示该企业的系统能；如果要考察该企业的对环境干扰状况，可以选择这个企业废水、废气、固体废弃物以及光污染、电磁污染、余热、噪音等排放、治理的参数作为该企业的系统能来进行分析。
对于更复杂的情况，我们可以先将数据标准化后，然后采用加和或者多元分析方法，对系统的能进行进一步分析。
（2）环境的能
复杂系统是一个开放的系统，时刻都与其所在环境进行着“能”的交换。
环境能（environmentenergy，en-energy，）是指环境输入系统的能。
（3）系统的内焓
系统本身具有维持系统运转的能，也即系统本身具有的焓叫做系统内焓（系统内能，internalenergy），是系统运转与发展的潜力。
（4）系统的功
系统的功（work），是系统对环境的输出。
（5）系统的焓
参与系统运转的能的总和，称为系统的焓（enthalpy）。
焓可以表示为：
式中H、EE、EI和W分别表示系统的焓、环境能、内焓、功。
（6）系统的自由焓
系统的发展（develop），是指系统由幼小逐渐成长壮大的过程，包括系统在空间上、质量上等的增长和能的储备，以及其进化、增殖、再生等过程。
系统的衰亡，则是负发展。
系统的自由焓是指（freeenergy）可供系统直接使用转换成功和供系统发展的焓。
自由焓来源于环境能和内焓，是描述系统做功能力的参量，这包括系统对当前能转换成功的效率，以及对环境能和内焓的利用能力或效率。
自由焓G可以表示为：
w（•）、r（•）分别表示自由焓转换成功W和系统发展的能力R函数。
系统的内耗（internalfriction）是指除去系统做功和发展之外所消耗的能。
系统内耗F可以表示为：
当F>G时，系统可能会采取以下策略应对：
减小做功耗能W，或者减少发展耗能R，或者压缩内耗F，以维持系统基本运转；
当F>>G时，或者采取策略
不足以维持系统基本运转时，系统可能会消耗储备的能；
在采取策略
还不足以应对危机时，系统可能会消耗本身的机体并转换成能，来保证系统的基本运转，直至危机解除或者系统消亡。
（7）系统熵的内耗表示法
有了焓的定义，系统熵因此还可以用系统内耗表示为：
或
或
式中a为换算系数，因不同的系统、不同的参量不同而不同。
更多的内容，详见参考文献[22]《生态论：
复杂系统研究》中“第四章流与场”。
4.复杂系统的减熵化
4.1系统减熵化的实质
从系统熵的内耗定义ΔS=ΔF/G，我们可以看出，系统减熵化（即减少ΔS），实质就是减少系统内耗ΔF或F，或者增加系统自由焓G：
（1）减少系统内耗途径
由于系统内耗定义为F=H—G，系统减熵化的减少内耗途径，可以是增加系统自由焓G。
但是，不能通过减少系统焓H的途径来减少系统内耗。
因为，系统的焓是“参与系统运转的能的总和”，减少焓，将会影响系统的运行，甚至造成系统崩溃消亡。
（2）增加系统自由焓途径
由系统的自由焓定义G=W+R可知，要增加G，就得增加系统的功W输出，或者增加系统发展能力R。
再由系统自由焓的另一个定义G=f（EE,EI）可知，还可以通过增加系统焓或内能EE、环境能EI来实现。
但是从系统焓与环境能的定义可知，这二者的增加，是有限度和代价的，不是无限和无偿的，过度增加系统焓与环境能，可能造成系统内子系统或系统外其它系统的损害，从而影响系统的稳定与健康，进而造成系统功的输出减少，以及自由焓的减少。
由上述分析可知，系统减熵化的实质，也是系统实现减熵化的途径。
4.2减熵化与有序化
（1）系统有序化
系统的有序化（ordering），是指系统由无序结构向有序结构转变的过程。
耗散结构论认为，孤立系统永远不可能自发地形成有序状态，其发展的趋势是“平衡无序态”；封闭系统在温度充分低时，可以形成“稳定有序的平衡结构”；开放系统在远离平衡态并存在负熵流时，可能形成“稳定有序的耗散结构”。
耗散结构是在远离平衡区的、非线性的、开放系统中所产生的一种稳定的自组织结构，由于存在非线性的正反馈相互作用，能够使系统的各要素之间产生协调动作和相干效应，使系统从杂乱无章变为井然有序。
生物机体是一种远离平衡态的有序结构，它只有不断地进行新陈代谢才能生存和发展下去，因而是一种典型的耗散结构。
耗散结构论还认为，耗散结构的有序化过程，往往需要以环境更大的无序化为代价，因此从整体上讲，由耗散结构本身与周围环境所组成的更大范围的物质系统，仍然是不断朝无序化的方向发展，仍然服从热力第二定律。
由此可见，达尔文的进化论所反映的系统从无序走向有序，以及克劳修斯的热力学第二定律所反映的系统从有序走向无序，都只是宇宙演化序列中的一个环节。
[31,32]
（2）有序化与减熵化
从系统有序度的定义可以看出，系统的有序度与熵是负相关的。
也就是说，要实现系统的有序化，提高系统的有序度，就需要降低系统的熵，也即减熵化。
从物理角度看，减熵化，好像只是系统能量的有序化，其实不然。
对于一个具体的复杂系统而言，系统的产生、生存与发展，就需要不断地生产与消费“负熵”，在这一过程中，既有能量的有序化，也有消耗“负熵”使得系统结构有序化，从而使得系统不断发展。
当然，系统衰亡时，则会释放能量，系统的结构也随之无序化。
4.3减熵化与系统自组织
（1）自组织理论
组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。
德国理论物理学家H.Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把组织分为他组织和自组织。
如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织。
如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织（self-organizing）。
自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。
一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强。
例如，人类社会比动物界自组织能力强，人类社会比动物界的功能就高级多了。
自组织理论（Self-organizingTheory）主要由耗散结构理论（DissipativeStructure）、协同学（Synergetics）、突变论（CatastropheTheory）和超循环理论（Supercircle）组成，但基本思想和理论内核可以完全由耗散结构理论和协同学给出。
自组织理论方法主要包括自组织的条件方法论、自组织的协同动力学方法论、自组织演化路径（突变论）的方法论、自组织超循环结合方法论、自组织分形结构方法论、自组织动力学（混沌）演化过程论、综合的自组织理论方法论等。
[33]
（2）自组织中的减熵化
从系统的结构来看，系通过自组织，实现系统本身的有序化，或者系统本身的发展或进化。
在这一过程中，系统不断从环境中吸收“负熵”，使得系统自身不断减熵化。
也即系统不断地减熵化，来实现系统的自组织。
[34]
4.4减熵化与一元化
一元化（unified），是一个含义丰富的词，多是指由多样向单一发展，由分散向统一发展，还特指集中统一。
对系统而言，简单系统本身可能就是已经一元化了。
而复杂系统的一元化，是一种极端了的有序化，这一过程可能是由于减熵化到了极致所致。
一元化了的复杂系统，无论是结构的一元化，还是能流的一元化，由于其结构简单、能流路径短，一般来说，一元化系统都是高效的。
但是也正是由于其结构或能流的一元化，一旦其中一个子系统（结构单元）或能流链失稳，将会危及整个系统安全，因此，这样的系统，也是极不不稳定的，
这在自然界，在人类社会中，一元化系统并非鲜见。
在生态系统中，如农田生态系统，基本上是同一种作物；森林生态系统中的同龄纯林，尤其是单一树种的速生丰产用材林，基本上是同一种树种；还有养鸡场，养猪场，等等。
这样的系统，投入产出效率高，但是，很不稳定。
如果有害生物侵入，或者不利该物种的环境因子出现，这种生态系统就会遭受灭顶之灾。
同样地，再从经济角度看，如果不利于该作物、林木或牲畜经济因子出现，如降价，或者生产过剩，等等，经营这种一元化生态系统的企业也会陷入严重的经济危机。
同样的，在人类社会中，专制政府，是一个一元化的政治系统，人类历史已经表明，这种一元化的政治系统也是不稳定的，被不断的政治危机毁灭而发生朝代更迭。
行业垄断，企业垄断，是一个一元化的经济系统，世界经济史也表明，周期性的经济危机，与人类社会这种不稳定的经济一元化行为，也即经济垄断也不无关系。
也就是说，无论是减熵化，有序化，都要以系统的健康为衡量尺度。
对人类社会来说，还要考虑到系统对人类服务的输出与效率，在特定的情况下，局部的、科学管理的、有限的一元化，有时也是需要的，如农业系统、军队系统等。
4.5系统等能流与减熵化
系统的能（energy），是系统保持运转的动力，也是系统发生发展的潜力。
这里的“能”，是高度抽象的，不仅仅是能量。
就某一个具体的系统而言，根据其研究目的不同，能可以是物质的，也可以是非物质的。
例如，对于一个企业来说，能，当然可以是能量，也可以是物资，还可以是资金、信息、人才等等。
在系统的关系与关系网中，系统的能，在系统关系网中不断汇集、流动、转换，并与系统的环境进行交换，在这一动态过程中的能，便形成了能流（energyflow）。
[22,23]
由此，我们可以看出，系统的减熵化，其实质就是减少系统运行中的无效能流损耗，提高能流的效率。
综合上述减熵化与有序化、自组织的关系，我们可以看出，在系统的能域的减熵化，不仅仅是可以促进系统能域本身的有序化，还可以促进系统结构域的有序化，从而促进整个系统的有序化，实现系统的自组织，最终促进并保持系统健康，逐渐向系统和谐的状态逼近。
4.6减熵化与系统健康管理
系统健康管理（healthcare），就是为了维护或促进系统的健康而采取的措施，系统健康管理的目的是增强维持系统稳定性与和谐性，提高系统抗逆能力，去除或避免系统中或系统外危害系统健康的因素，创建有利于系统健康的良好环境条件。
因此，系统健康管理重要措施之一，就是减熵化，提高系统的有序度，促进系统逐渐进化不断向和谐态逼近。
更多的内容，详见参考文献[22]《生态论：
复杂系统研究》中“第九章系统管理”和“第十章系统健康与和谐”。
5.人类社会的减熵化
人类社会是一个复杂系统，其不仅仅是一个复杂的生态系统，还是一个复杂的社会系统。
因此，人类社会的减熵化，不仅仅是要通过减熵化维持系统较高效率的，更重要的是，要符合人类的伦理，要促进人类社会健康发展，也即要公平发展，让全人类共同分享社会发展成果，促进人类社会和谐发展。
就当前人类社会而言，人类社会的减熵化，就是要建立并实施具有普适意义符合人类伦理的社会发展规则，也即良法与善治。
5.1良法善治
人类社会的减熵化，除了要考虑物质性能流减熵化、有序化、自组织，还要考虑伦理这种精神性能流的减熵化、有序化与自组织。
例如，残疾人，如果不考虑伦理能流减熵化，按照物质性能流减熵化就应该自然淘汰，这是极不人道的，是违背人伦的。
因此，和谐社会的减熵化，要在社会公平、秩序和谐之下，全面提高社会效率。
再例如，当前片面追求经济的高效率，忽视生态环境保护，这不仅仅是蔑视生态伦理、社会伦理，践踏环保法律，更是强调个体经济效益最大化，忽视人类生态系统的整体性减熵化、有序化、自组织。
因此上说，良法善治，首先要有精细化的、良性的社会规则，即良法，再在良法之下进行善治，通过PDCS循环，不断提高精细化管理水平，从而保障人类社会减熵化，实现整体上健康发展，建立和谐的社会秩序。
在生态论看来，生态论本身，以及其包含的减熵化、系统健康管理等理论，尤其是PDCS循环理论，实际上是一个人类在实践中不断发展着的理论，也即“有为师天道建良法，无为循善治度众生”（出世求天道，入世度众生），实现“博爱万物，善治众生，民心物体，和谐幸福”的目标。
更多的内容，详见参考文献[29]《系统法学》中“第二章良法善治原理”和“第七章法制系统管理”，以及参考文献[24]《发展学》中“第二章发展学基本原理”和“第五章社会规范”。
5.2人类社会多元化
5.2.1多元化与多极化
多元（multivariant），在系统学中，是指组成系统的子系统是多组分的，其发展是多自由度的，其状态表达是多变量的。
多元化（pluralistic）与一元化相对，是系统在发展过程中，通过不断进化，形成组分多样、功能丰富、结构稳定的系统的过程。
多元化与多极化（multipolarization）有很大的不同。
多极化是指系统结构、组分、状态变量或者发展自由度，受若干个主要因子主导，这些主导因子之间、主导因子与非主导因子之间对系统的作用力是不同的。
这些主导因子一旦发生变化，可能对系统的稳定性和系统的健康状况产生较大的影响，因此，多极化的系统，是不稳定的系统。
与多极化相对应的是单极化（monopolization）。
其实，单极化就是极端了的一元化，是多极化向独占、垄断的转变。
单极化系统
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