人—机—环境系统工程学作为一门新兴学科，越来越受到世人的关注。其最大的特点是它把人、机、环境看作是一个系统的三大要素，在深入研究三者各自性能的基础上，着重强调从全系统的总体性能出发，通过三者的信息传递、加工和控制，形成一个相互关联的复杂系统，并运用系统工程方法使系统具有“安全、高效、经济”等综合效能[1](P341)。在人类社会中，人—机—环境系统是普遍存在的，小到一条生产线、一套机组、一台控制装置和一栋住宅楼，中到一个企业、一座商厦、一所学校，大到一个城市、一个地区，都是人—机—环境关系系统；企业管理、工程设计、城市建设和管理、南水北调、西部大开发等科研、生产和经济建设项目都是典型而复杂的人—机—环境关系工程。要实现人—机—环境系统工程的最优化性能，只有从整体系统出发，充分认识系统与系统之间、母系统与子系统之间、子系统与子系统之间的本质关系，全面地、系统地、综合地分析和思考问题，并始终使人—机—环境关系处在最协调的位置上才能实现。从这点出发不难发现，深刻认识人—机—环境之间的关系对人—机—环境关系工程学科的建设和社会的和谐发展是大有裨益的。

笔者从工程热力学中熵和的概念出发，对人—机—环境关系问题进行了探索，提出了一些新思想，并期待与更多同行讨论。

一、熵和的基本含义

熵（entropy）是克劳修斯（R·Clausius）于1865年提出的一个物理量。他定义一个物体的温度为T（绝对温度）时，如果加进的热量为ΔQ，那么Δp与T的比值就是该物体熵的增量ΔS。有了熵这样一个物理量，热力学第二定律就可以表述为：“在孤立系统中发生的实际过程总是使系统的熵增加，即Δs＞0。”这就是著名的熵增原理。100多年来，熵的应用展示了广阔的前景，它已远远超出了热力学、统计物理学的范畴，进入到天体物理、生物学、地学、信息论，并扩展到整个自然科学，又深入到社会科学的许多领域[2]。

概念的引入，是从能量的品质问题开始的，它还有另一个名字：“可用能”，意即能量中可用的部分。它表明，能量并不都是可用的，包含在能量中的可用能只是能量中的一部分。而不同的能量所包含的可用能的比例是不同的，因而能量具有品质的高低之分[3](P30)。

其实，科学家们早就注意到了能量有“量”与“质”两方面的特征。早在1824年卡诺（carnot）就指出，工作在高温热源T与环境（温度为T[,o]）之间的任何热机，当从高温热源吸取数量为Q[,1]的热量时，最多可转化为有用功的部分为：W[,max]＝Q[,1（1－），这就是最早关于能量可用性的分析。显然，在热量Q[,1]中，除去可转变为有用机械功的Q[,1]，（1－T[,0]／T）这部分外，将有Q[,1]（T[,0]／T）部分放给周围环境而无法转变为功，实际就是Q[,1]中无用的能量。在当今的工程热力学中，关于，以及与之相随的，其定义是这样的[3](P25—26)：在周围环境条件下，任一形式的能量中能够最大限度地转变为有用功的那部分能量称为该能量的；能量中不能够转变为有用功的那部分称为该能量的。

还可表述为：一定形式的能量或一定状态的物质，经过完全可逆的变化过程后，最后达到与环境完全平衡的状态，这个过程中该能量或物质所能做的最大有用功称为。

二、熵和与环境的关系

关于熵，在热力学的理论和实际应用中，实际有意义的是熵的变化，即它与环境状态的差值。因此熵与环境是不能割裂开来的。与环境的关系更加密切。能量中能够转变为有用功部分的多少，除与能量的形式和携带能量的系统所处的状态有关外，还与做功的过程和系统所处的环境有密切关系。从热力学角度看，不管做功的方式如何，当做功过程为可逆过程时，可以获得最大限度的功量。

对于实际的热力过程，能量的转换过程通常都是在周围的自然环境中进行的。系统所处的状态与周围环境状态的不平衡性促使系统状态发生变化，自发地变化到与环境相平衡的稳定状态。其间，系统会释放出功量。如果过程是可逆的，则释放的功量最大，这个最大的功量，就是系统所包含的。当系统的状态与环境状态平衡时，系统的能量贮存完全丧失了转换为有用功的能力。正因为如此，在热工分析中，常把周围的自然环境状态当作计算有用功的基准状态。

因此，热力学中熵和等概念都与环境有着广泛而深刻的关系。有用功或系统的大小要视周围环境而定，这一点有时被误认为是它的缺点，甚至有人怀疑它的客观性。其实不然，恰恰相反，正是这一点，才使分析具有广泛而深远的意义。因为任何系统，包括人类系统及其他所有系统，都是处在环境中的，任何割裂环境来分析系统的做法都是不全面的。

三、从熵的角度看人—机—环境关系

20世纪70年代，由于所谓石油危机，日本投入了巨额财政预算，开展了对核能和太阳能利用的研究。然而，有些物理学家认为：石油在短期内不会枯竭，问题在于因过多地使用石油而使环境污染日趋严重。为了澄清问题，日本物理学家槌田敦从1976年起开始用物理学的方法研究资源和能源问题[4]。他认为物理学方法在这里有效，是因为资源和能源是一个熵的问题，即资源和能源一经使用，其熵就必定增大，从而变成了废热和废物。从这样的角度来考虑问题，就不应只讨论资源的枯竭，而应同时考虑废物、废热的污染问题。然而，现在人们并没有充分认识到这一点，资源研究者只着重研究资源的枯竭和与此有关的替代对策，对资源使用后所产生的废物和废热漠不关心。研究污染的学者只针对废物和污染的实际情况进行调查研究，而不讨论资源本身的问题。所以，两方面的研究者都是有失偏颇的。槌田敦的研究正是对两者的结合，并提出了一种新的思维方法。

槌田敦认为，所谓的资源，就是一些低熵的物质，或是具有接纳高熵物质空间的物质。低熵物质具有在适当空间中“扩散”的能力，正是这种扩散能力显示了它作为资源的潜力。燃料、粮食和动力都是低熵资源。水亦可以被视为一种低熵资源，但水自己不具备扩散的能力，它具有扩散空间的性质，水的这种能力称为水的使用价值。但在生产中，水与燃料的效果相同，它们都被当作低熵资源。槌田敦进一步指出，现代文明就是利用石油的扩散能力来进行各种活动，用水作为扩散空间吸收并排放废物、废热的文明。环境也具有吸收废物和废热的能力，因此环境也是一种低熵资源。或者说，环境具有与资源同等的地位，是资源成为有用物质的基础。

槌田敦的这种将资源与环境结合起来进行研究的思想无疑是正确的。其实，环境在我们的社会生活中并不完全是被动的。假如环境除了向社会提供低熵资源外什么也不做，那么使用这些低熵资源所产生的废物、废热就会堆积在社会和生物内部，只要环境不取回高熵的废物、废热，社会的活动就会停止下来。这就是说，环境应该是我们社会的一部分，不能割裂环境来考察人类社会的活动。人们一直认为对生命来说最重要的是确保资源，但这种观点有误，对生物来说，空气和粮食同等重要。含有氧的空气是熵的排放场所，如无排放场所，就不能进行消费活动。譬如动物如患有排泄系统方面的疾病就不能正常生活。人类亦因废物、废热的污染而苦不堪言。所以，与其说是资源的枯竭，不如说是环境的枯竭。对那些没有地方排出废物和废热的资源，其本身就没有资格成为资源。因此，环境与资源是并重的东西。

从熵的观点出发，所谓的生产，是指从原料资源到制造产品的过程。但原料资源的熵一般较大，仅靠原料资源无法进行生产，因此为了生产就必须设法消除资源中的熵。由于熵具有物质和能的属性，因而它不能以游离形式被消除，于是人们就借用机器和消耗其他资源的扩散能力，使其吸收熵而变成废热和废物，然后再把它们排除。为此，可以得出一个形象的比喻：资源中的熵正如“污秽”，生产过程则如用“抹布”擦拭物质和能量这些原料中的污秽的活动，机器就是操纵抹布的手。

所以，熵观点提出的人—机—环境关系应该为：资源是一些低熵物质，人主动消费这些物质的扩散能力，并向环境排除高熵物质，人类制造的机器所起的作用就是加速资源在社会的扩散速度和排除高熵的速度，但机器在工作时也会产生高熵物质，环境就是接受高熵物质的空间。如果人—机—环境三者处在最佳关系上，那么人所消费的资源会更少，排向环境的高熵物质也更少，环境所剩余的空间会更大。

四、从的角度看人—机—环境关系

在热力学理论取得大发展的今天，把概念引入资源科学将更有利于揭示问题的本质。从热力学理论知道，世界上所有的物流、能流、信息流中都包含有的流动，是它们的共性，是反映其本质的东西。地表的大多数都来自对太阳的转化和积累（很小一部分来自地球的内核）。巨大的太阳推动着地球的五大圈（大气圈、生物圈、社会圈、岩石圈和水圈）不断地运动和进化，逐渐形成了现有的各种自然资源。可以说，现有的各种自然资源均是太阳转化和积累的结果，所以各种资源中都或多或少地包含有。这样，所有的自然资源都可以用这个既表示做功能力又表示系统结构信息的单位来度量，都可通过计算它们的固有量、转换太阳的速度以及人类对其的使用效率等参数来确定它们的价值。如此，各种自然资源就有了可互相比较的标准。是衡量它们的尺子，含量高的是优质资源，含量低的是劣等资源。

通过对分析，还可以对某一资源找到能产生最大价值的途径。比如，某一土地资源，究竟是让它保持为森林植被产生的价值大，还是开垦为农田对人类更有价值，都可通过计算其产生的速度来确定[5—6]。度低的矿山不值得开采，开垦贫瘠的土地往往得不偿失，破坏森林资源就等于失去转换太阳的“机器”等等。历史上已经有了许多教训。

是建立在内能、焓和熵等热力学概念之上的又一新的热力学函数，它的原始含义是指系统的最大做功能力，但广义指的是质的差别（即差异程度的大小）。我们知道，事物静止是因为没有推动力，或者说与周围没有差别，一旦有了差别，就有了运动和过程。自然过程的结果是使差别消失，非自然过程是建立或维持差别。我们平常所说的推动力，指的便是质的差别。因为大气中的热能没有任何用处，所以不能笼统地说能量是推动力。只有能量中的才是推动力，是不能作为推动力的，所以能源的实质即源，资源的实质即广义[3](P181)。由于是所有系统的推动力，所以只要具备了适当的内部条件，具有差别（），系统便能进化。这样，系统“处理掉多余的熵”的代价就是的消耗，也就是说资源流过系统时，其含量不断下降，而其熵却不断增大，这个增大的熵值就是系统中多余熵的排出。

从的角度考虑资源问题，发现合理使用不可再生资源就是使得到合理利用，对可再生资源来说就是设法保护可再生资源产生的再生机制。因此资源的问题归根结底就是的利用与保护的问题。所以把概念引入资源问题将为资源的评估和利用提供一个更有效更直观的方法。譬如，槌田敦的资源物理学中的扩散能力即对应着，污秽对应着，技术损失对应着损失，物质循环对应着建立质的差异（），污染对应着大量的转化为，使环境难以承受。排放到环境中的废物、废热同其组分相互作用，使得自然资源和人类通过消耗资源制造出来的产品受到破坏，为了恢复这些产品，需要消耗额外的。因此不仅要考虑生产过程对资源的直接消耗，而且还要考虑生产的废物、废热对资源及其再生机制的破坏。这样从的观点来看，人—机—环境关系必须是和谐而友好的。

人—机是连接资源与环境的桥梁，是驱动一切生命体生存与发展的动力，而资源与环境的差异就是。具体地说，人类生态系统从自然系统中获取低熵物质，如水、能源、矿物等。并通过这些物质与能量在人类生态系统中的转化，一方面耗散，另一方面又形成更高质量的能量，有的最终转化为信息，即形成人类的文化。因此，人类的生活不应该是在使用资源时形成一条从资源到环境的有害的流，而应该是形成一条从资源到环境再返回到可再生资源的流。

五、结论：人—机—环境必须和谐相处

首先，热力学中扩展了的熵和的概念，已不单纯是物理学上的专业概念，而是已经自然化和社会化，其内涵与自然环境和社会发展规律有着广泛而深刻的联系，环境的变化和社会的发展是与熵和的变化规律相吻合的。

其次，熵的观点提出：资源是一些低熵物质；人类消费低熵物质的扩散能力，并向环境排放高熵物质；机器则一方面加速低熵物质的扩散速度和排放高熵物质的速度，另一方面自身在工作时也产生高熵物质；环境就是接受高熵物质的空间，也相当于一种低熵物质，其地位与资源同等重要。为了让低熵的资源消费减缓，排向环境的高熵物质减少，人—机—环境三者就必须建立在一种最佳的关系上。

最后，的观点认为：是一切事物发展的推动力，资源与环境的差异就是。因此，资源问题归根结底是的利用与保护的问题。

分析指出：资源是含有的物质，其含量的高低是衡量资源优劣的标准。环境不含有，但却是产生价值的前提，环境受污染、变恶劣，则资源的值就会降低。人具有获取含物质的目的意识与能力，是消费的主体。机器则是为人类提取和转化的工具，其本身工作时也消耗，而且生产的废物、废热会损害资源和环境。此外，生态环境又具有从太阳辐射中吸收和转化的能力。如此得出，为保证人类生态系统与自然环境系统中流的平衡和协调发展，人—机—环境三者的关系更应该是和谐而友好的。

综上所述，在生物圈中，人是主要的调控者。人的目的意识远在其他生物之上，在获取含物质的能力上，也远比其他生物强。人类能够有目的地获取食物、燃料和矿物等等，并把这些含的物质集中起来供自己享用。但人类始终必须牢记，人类只不过是生物进化链中的一环，而且与其他生物特别是绿色植物不同，其他生物是直接从输入地球表层的太阳辐射中获取低熵物质和，而人类不但掠取其他生物转换太阳辐射的成果，还在消耗这种生物本身。因此，我们必须将人类社会和自然环境看作一个整体，这个整体中应包括非生物的地表、生物和人类自身，从总体上协调资源、人口、经济和环境的关系，使人与环境、与地球表层协调发展，共同进化。

（原载《学术论坛》2008年1期。录入编辑：乾乾）