熱経済学: 繁栄を解き放ち、変化する世界でエネルギーと経済を乗り切る

By Fouad Sabry

熱経済学とは

異端経済学の分野における熱経済学派は、生物物理学としても知られ、法則を適用する学派です。 統計力学から経済理論まで。 経済物理学のサブ分野である熱経済学は、経済的価値の統計物理学とみなすことができます。 これは、熱経済学の別名でもあります。

どのようなメリットがあるか

(I) 以下のトピックに関する洞察と検証:

第 1 章: 熱経済学

第 2 章: エントロピー

第 3 章: 悲観主義

第 4 章: 熱力学

第 5 章: 生態学 経済学

第 6 章: 非平衡熱力学

第 7 章: 不可逆過程

第 8 章: 経済物理学

第 9 章: ハーマン・デイリー

第 10 章: 定常経済

第 11 章: 異端経済

第 12 章: 生態力学

第 13 章: エネルギーの品質

第 14 章: ロバート エアーズ (科学者)

第 15 章: ニコラス ジョルジュスク レーゲン

第 16 章: チャールズ A. S. ホール

第 17 章 : エリック ゼンシー

第 18 章: 脱成長

第 19 章: 生物経済学

第 20 章: マウロ ボナイウティ

第 21 章: ウラジミール ポクロフスキー

(II) 熱経済学に関する一般のよくある質問に答えます。

(III) 多くの分野での熱経済学の使用例の実例。

対象者

専門家、学部生および大学院生、愛好家、愛好家、および基本的な知識や知識を超えたいと考えている人 あらゆる種類の熱経済学の情報。

• Language: 日本語
• Publisher: 10億人の知識があります [Japanese]
• Release date: Dec 22, 2023

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第1章 熱経済学

熱経済学は、生物物理学経済学とも呼ばれ、統計力学の法則を経済学の理論に適用する異端の経済学派です。 これは、経済物理学の一分野です。

これは、人間社会がさまざまな種類の廃棄物や環境への影響を生み出しながら、商品やサービスを生産、流通、消費、交換するために、エネルギーやその他の生物学的および物理的資源をどのように取得および使用するかを研究することです。生物物理学経済学は、社会科学と自然科学を組み合わせて、従来の経済学の最も基本的な限界と盲点のいくつかを克服します。これにより、経済成長の本質的な前提条件と枠組み条件、およびそれらに関連する制約と境界を理解することが可能になります。

「滅びる者はいない、すべては変容する」

何も失われず、何も創造されず、すべてが変化する。

-アントワーヌ・ラヴォアジエ、化学の創始者の一人

熱経済学者は、人間の経済システムを熱力学システムとしてモデル化することが可能であると主張しています。熱経済学者によると、すべての経済システムには、物質、エネルギー、エントロピー、および情報が含まれます。国際経済は開かれたシステムと見なされています。

さらに、多くの経済活動は構造の開発をもたらします。熱経済学は、非平衡熱力学の統計力学を用いてこれらの活動をモデル化します。

{\displaystyle EROI={\frac {\text{Energy returned to society}}{\text{Energy required to get that energy}}}}

熱経済学は、生物進化におけるエネルギーの役割は、熱力学の第二法則ではなく、生産性、効率、特にバイオマスを構築して作業するために利用可能なエネルギーを捕捉して利用するためのさまざまなメカニズムの費用と利益(または収益性)などの経済的基準によって定義および理解されるべきであるという前提に基づいています。

「社会的抗議と政治的不安定の世界的なエスカレーションは、世界的な炭化水素エネルギーの減少の不可逆的な熱力学と、それが相互に関連した環境的および経済的影響と因果関係にあります。」

この分析によると、先進国ではGDPが減少する可能性が高い。

クレジットの追加によって消費にアクセスできなくなった場合、および

信頼性が低く、より高価なエネルギーと資源への移行に伴います。

20世紀は、エネルギーの質の上昇とエネルギー価格の下落によって特徴付けられました。21世紀は、エネルギーの質の低下とエネルギー価格の上昇によって特徴付けられるでしょう。

{チャプター1終了}

第2章:エントロピー

エントロピーは科学的な概念であると同時に、無秩序、不確実性、またはランダム性に一般的に関連する測定可能な物理的特性でもあります。この用語と概念は、最初に認識された古典熱力学から、統計物理学における自然の微視的記述、情報理論の基礎に至るまで、さまざまな分野で利用されています。化学と物理学、生物システムとその生命との関係、宇宙論、経済学、社会学、気象学、気候変動、および電気通信における情報伝達を含む情報システムなど、幅広い用途があります。

エントロピーは熱力学の第二法則の基本であり、孤立して自発的に進化するシステムのエントロピーは時間の経過とともに減少することはないと述べています。その結果、孤立した系は、エントロピーが最大になる熱力学的平衡に向かって進化します。熱力学の第二法則の結果として、いくつかのプロセスは不可逆的です。

オーストリアの物理学者であるルートヴィヒ・ボルツマンは、エントロピーを、系の巨視的条件と両立する個々の原子や分子の微視的な配置または状態の数と定義しました。そこで、統計的無秩序と確率分布の概念を統計力学という新しい熱力学分野に導入し、平均的な配置で変動する微視的な相互作用と、比例定数であるボルツマン定数を持つ単純な対数法則の形で巨視的に観測可能な振る舞いとの関連性を発見し、現代の国際システムの普遍的な定数の1つになりました。単位 (SI) (SI)。

1948年、ベル研究所の科学者であるクロード・シャノンは、微視的な不確実性と多様性を測定するための統計的概念を、通信信号におけるランダムな情報損失の問題に適用しました。シャノンは、統計力学におけるこの欠損情報エントロピーの実体を、統計力学における使用になぞらえて命名し、それによってジョン・フォン・ノイマンの提案で情報理論の分野を確立しました。この定義は、エントロピーの普遍的な定義として識別されています。

ルドルフ・クラウジウス(1822–1888)、エントロピーの概念の生みの親

フランスの数学者ラザール・カルノーは、1803年の論文「平衡と運動の基本原理」で、どの機械でも、可動部分の加速度と衝撃は活動モーメントの損失を表すと提唱しました。自然のプロセスには、有用なエネルギーの散逸に向かう固有の傾向があります。ラザールの息子であるサディ・カルノーは、1824年に『火の動力に関する省察』を出版し、すべての熱機関において、「カロリー」(現在熱として知られているもの)が温度差によって落ちるときはいつでも、熱い物体から冷たい物体への落下の作用から仕事または動力を生み出すことができると提案しました。彼は自分の議論を水車に水が落ちる方法に例えました。これは、熱力学の第二法則の初期の理解を表していました。カルノーは、蒸気体などの作動物質の本体が完全なエンジンサイクルの終わりに元の状態に戻された場合、「作動体の状態に変化は生じない」と推論しました。

1843年のジェームズ・ジュールの熱摩擦実験から導き出された熱力学の第一法則は、すべてのプロセスにおけるエネルギーとその保存の概念を表現しています。ただし、第 1 法則を使用して、摩擦と散逸の影響を単独で定量化することはできません。

ドイツの物理学者であるルドルフ・クラウジウスは、1850年代から1860年代にかけて、摩擦によって発生する熱など、作業を行う際に使用可能な熱が本質的に失われることの性質に疑問を呈しました。彼は、作業体に変化が起こらないという仮定に異議を唱え、その変化に数学的解釈を割り当てることによってそうしました。この用語は1868年に英語に入りました。

その後、ルートヴィヒ・ボルツマン、ギブス、ジョサイア・ウィラード、ジェームズ・クラーク・マクスウェルなどの研究者がエントロピーの統計的基盤を提供しました。

1877年、ボルツマンは理想気体の粒子の集まりのエントロピーを計算するための確率論的方法を構想し、エントロピーは気体が占めることができるミクロ状態の数の自然対数に比例すると定義し、エントロピーはミクロ状態の数に比例します。

この定義における比例定数は、ボルツマン定数とも呼ばれ、国際単位系の定義する普遍定数(SI)の1つになっています。

これ以降、N個の同一系における一定量のエネルギーEの分布を決定することが、統計熱力学における中心的な課題となってきた。

古代ギリシャの数学者であるコンスタンティン・カラテオドリーは、エントロピーは、軌跡と可積分性に関する不可逆性の数学的定義に関連していました。

1865年、クラウジウスは「可変量の配置依存微分」という用語を作り出し、 ギリシャ語の「変換」にちなんで、エントロピー(エントロピー)と名付けられました。

彼は同義語(Verwandlungsinhalt)として「変容内容」を提供し、彼の「熱的およびエルゴナル的内容」(Wärme- und Werkinhalt)をその名前として並列させた。 U

その代わりに、エネルギーに近いものとしてエントロピーという用語を好んで、彼はその概念が「物理的重要性において実質的に類似している」ことを発見した。

私は、古代言語で重要な科学量の名前を見つけて、すべての生きている言語で同じ意味を持つようにすることを好みます。そこで私は、ある物体のエントロピーを、ギリシャ語の「変容」にちなんでSと呼ぶことを提案する。私が意図的にエントロピーという用語をエネルギーのように聞こえるように作り上げたのは、これら2つの量が物理的重要性において非常に似ているため、用語の類推が有用であるように思われるからです。

このようにして、レオン・クーパーは「彼は誰にとっても同じ意味を持つ言葉を作ることに成功した」と付け加えた。

エントロピーの概念を含む方法は、その存在自体が熱力学の第二法則に依存しており、多くの人にとって間違いなくばかげているように見え、初心者は曖昧で理解するのが難しいと思いとどまらせるかもしれません。

流体の熱力学におけるグラフィカルな方法、ウィラード・ギブス著

エントロピーの概念を説明するには、古典熱力学の巨視的視点と統計力学の中心となる微視的記述の2つの主要なアプローチがあります。エントロピーの古典的な定義は、質量、体積、圧力、温度などの巨視的に測定可能な物理的特性に基づいています。エントロピーの統計的定義は、系の微視的構成要素の運動の統計的観点から説明され、最初は気体を構成するニュートン粒子などの古典的にモデル化され、後に量子機構(光子、フォノン、スピンなど)でモデル化されます。この2つの視点は、熱力学第二法則によって表現されるのと同じ現象について、物理的プロセスに普遍的に適用できる一貫した統一された見解を形成します。

多くの熱力学的特性は、熱力学的平衡状態を定義する物理変数によって定義されます。これらの変数は、状態変数と呼ばれます。状態の変数は平衡状態にのみ依存し、その状態への経路の進化には依存しません。ある状態変数が他の状態変数の数学的関数であるという意味で、状態変数は状態関数 (状態関数とも呼ばれます) にすることができます。多くの場合、システムの一部のプロパティを決定するだけで、システムの状態、つまり他のプロパティの値を決定するのに十分です。理想気体の法則を使用すると、特定の量の気体の温度と圧力によって、その状態、つまり体積が決まります。特定の温度と圧力で単相の純粋な物質で構成される系は特定の状態にあり、特定の体積だけでなく特定のエントロピーも持っていると判断されます。エントロピーは状態の関数であるため、これは便利です。カルノーサイクルでは、作動流体は初期状態に戻るため、エントロピーなどの状態関数の変化または線積分は、この可逆サイクルでゼロになります。

可逆的なプロセスでは、全エントロピーを保存することができます。

エントロピーの変化 {\textstyle dS}

システム(周囲を含まない)は、熱として明確に定義されています {\textstyle \delta Q_{\text{rev}}}

システム温度で割った値でシステムに転送 {\textstyle T}

, {\textstyle dS={\frac {\delta Q_{\text{rev}}}{T}}}

.

可逆プロセスは、熱力学的平衡から微小に逸脱し、摩擦やその他の散逸を回避する準静的プロセスです。

熱平衡から逸脱するのに十分な速さで発生するプロセスは不可逆的であり、総エントロピーが上昇し、さらに、プロセスで達成される最大の仕事の可能性が失われます。

ルドルフ・クラウジウスは、可逆的なカルノー熱機関によって行われる熱力学的サイクルであるカルノーサイクルの研究により、エントロピーの概念が生まれました。クラウジウスとケルビンの努力により、可逆熱機関によって行われる仕事は、カルノー効率(カルノーの定理によれば、同じ熱貯留層ペアを持つすべての可逆熱機関の効率)と高温貯留層から吸収される熱の積であることが知られています。

ここは W

カルノー熱機関による仕事です。 Q_{\text{H}}

は高温のリザーバーからエンジンへの熱であり、 {\displaystyle -{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}Q_{\text{H}}}

エンジンからコールドリザーバーへの熱です。

カルノー性能(1 − TC/TH(1未満の数値))を決定するために、ケルビンはカルノー・クラペイロン方程式を使用して、カルノー関数として知られる未確認の関数を含む等温膨張中に吸収される熱に対する仕事出力の比率を決定しました。

ジュールはケルビンに宛てた手紙の中で、カルノー関数は温度の零点から測定された温度である可能性があることを示唆した。

その結果、ケルビンは絶対温度スケールを確立することができました。

このことから、クラウジウスは、仕事と熱はサイクルの各段階で等しくなるのではなく、むしろそれらの違いは、サイクルの完了時に消える状態関数の変化であるというヒントを与えました。内部エネルギーは、状態関数とも呼ばれ、熱力学の第一法則の中心です。

これは、変化がQ/Tである状態関数が存在し、この状態関数は、内部エネルギーなどの他の状態関数と同様に、完全なカルノーサイクル全体を通じて保存されることを意味します。クラウジウスは、この状態関数をエントロピーと呼んだ。エントロピーが実験室での実験ではなく、数学によって発見されたことは明らかです。これは数学的な構造であり、直接的な物理的等価物はありません。これにより、概念が曖昧または抽象的になり、エネルギーの概念がどのように出現したかに匹敵します。この式は、カルノーサイクルあたりのエントロピーの変化がゼロであることを示しています。実際、カルノーサイクルあたりの両熱貯留層のエントロピー変化もゼロであり、この変化は式(3)の各項の符号を逆にすることで単純に表されます。たとえば、熱が高温のリザーバーからエンジンに伝達されると、エンジンは熱を受け取りますが、高温のリザーバーは同じ量の熱を失います。ここで、ΔSr,i = - Qi/Ti による熱リザーバのエントロピー変化を、前述のエンジンの熱信号規則を考慮して、H (ホットリザーバー) または C (コールドリザーバー) として表します。

次にクラウジウスは、同じ熱貯留層ペアと高温貯留層からエンジンQHへの同じ熱伝達について、カルノーの原理によって予測されるよりもシステムによって生成される仕事が少ない場合に何が起こるかを尋ねました。

この場合、式 (1) の右辺はシステムの最大作業出力を表し、その後、方程式は不等式に変換されます。

{\displaystyle W<\left(1-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}\right)Q_{\text{H}}}

式(2)を使用して、サイクルで交換される正味または総熱量として仕事を表すと、次のようになります。

{\displaystyle Q_{\text{H}}+Q_{\text{C}}<\left(1-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}\right)Q_{\text{H}}}

又は

{\displaystyle |Q_{\text{C}}|>{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}Q_{\text{H}}}

QH  > 0 は高温のリザーバーからの熱であり、エンジンに吸収される熱であり、QC < 0 はエンジンから低温のリザーバーに放出される廃熱であるという熱の符号規則を考慮します。

したがって、低温貯留層はカルノーサイクルよりも多くの熱を受け取ります。

上記の不等式

{\displaystyle Q_{\text{H}}+Q_{\text{C}}<\left(1-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}\right)Q_{\text{H}}}

次のように書くことができます。

{\displaystyle {\frac {Q_{\text{H}}}{T_{\text{H}}}}+{\frac {Q_{\text{C}}}{T_{\text{C}}}}<0.}

ここでも、熱貯留層のエントロピー変化を ΔSr,i = - Qi/Ti で表すと、前述のエンジンの熱信号規則を考慮して、I (低温貯留層) の H (高温貯留層) または C のいずれかとして、