基于耗散结构理论的化工安全经济系统分析

2022-09-11

化工企业具有一定的危险性, 这和其复杂的工艺有着很大的关系。此外, 化工企业会使用大量的危险化学品, 因此近年来事故频发, 给人身和经济安全造成了很大的威胁。这些爆炸事故也造成了不良的国际影响。因此, 化工企业要采取有力措施降低安全事故发生的概率, 这样财产和人员的安全就会得到保证, 可以说安全工作已经刻不容缓。控制和预防化工事故的方法有很多, 但是最根本的方法是从源头上解决, 也就是对化工企业的安全投入—产出系统进行全面的优化。安全生产“五要素”建设中一个核心的部分就是安全投入。只有安全投入到位, 那么安全生产才有可能得到保证和良好的基础。在控制和预防安全事故时, 我们可以从经济学的角度出发, 对安全—产出系统进行优化是一项非常重要的措施。

化工安全—产出系统不但符合耗散结构的要求, 而且是一个远离平衡、开发的系统。笔者在对这一系统中进行分析时, 使用了耗散结果理论, 希望这些分析和探讨可以作为一种新的思路和方法, 这样就可以对化工事故进行预防和控制。

一、耗散结构理论

我们研究热力学定律就可以知道, 自然中的任何一种物质都是具有能量的。能量是自然存在的, 它既不会被消灭, 也不会被创造。无论是处于转化还是传递中, 能量的总量是不变的。科学技术在不断的发展, 人类现实生活中发生的种种功能转换过程都和热力学有着很大的关系, 都是不可逆的过程。因此, 热力学第二定律就产生了。该定律同时认为当能量处于不可逆的功能转换过程中时, 局会处于不断的退化趋势中, 而变化不能用来做功的“不可用能”。有关学者对其进行了命名, 比如:克劳修斯就将这种不可能命名为熵, 也就是S。作为系统无序程度的量度, 熵越大, 就越无序。而如果越小, 就会越有序。针对开放系统, 我们可以对熵的变化进行划分, 总共有2个部分。第一个部分我们称其为熵产生, 也就是dis。第二个部分我们称作熵流, 一般用des来表示。熵产生是由于系统内部的不可逆过程产生的, 而熵流则是由系统和外界环境之间的相互作用产生的。二者之间的关系是:

对于des来说, 其是没有确定的符号的。而d1s是不可能出现负值的。可以很明显的看到, 一个远离平衡的开放系统, 会和外界进行物质和能量的交换, 而且交换时源源不断的。如果外界条件的变化到达一定程度时, 也就是一定的阙值时, 原来的混乱状态就会被打破, 即从一种混沌无序状态转变为一种有序状态, 无论是在空间、功能, 还是在时间上都是有序的。新的有序结构会在远离平衡单位情况下形成, 我们可以将其称为耗散结构。

如果一个系统要处于耗散结构, 就需要符合4个条件, 分别是: (1) 系统是开放的, 而不是封闭的。当系统开放时, 那么就可以和外界进行物质和能量的交换而系统要从无序转化为有序, 需要满足的条件是:des<0, 且|des|≥dis。 (2) 系统是远离平衡态的。只有满足这个条件, 新的稳定有序的结构才能形成。这是因为无论是处于近平衡态线性区, 还是处于平衡态, 系统的状态都比较稳定, 而且总的趋向是趋于平衡或者是无序。 (3) 系统中的每个要素之间的关系。这些要素之间有着非线性的相互作用。 (4) 涨落的触发是系统的特点, 这种触发可以对系统进行推动, 这样突变就会产生。因此, 系统就会从无序的状态走向有序的演化。

耗散结构的形成和外界参数离不开, 只有在外界参数的控制下, 该结构才能形成。如果阙值大于外界控制参量时, 那么曲线a上的每一个点都处于一种平衡态, 我们将其称为热力学分支。而如果阙值小于外界控制参量时, 那么a作为热力学分支就会变得比较不稳定。此时, 系统就会比较容易受小扰动的影响离开热力学分支跳跃到某一个稳定分支上, 也就会和某种有序状态对应, 这就是我们所说的耗散结构分支。仅仅只有外界控制参数处于临界状态, 这时系统中的小涨落才会被放大为巨涨落, 而这和转换需要借助非线性关系, 系统才会得到突变, 变化为耗散结构分支, 最早新的有序状态才会形成。

二、化工安全经济系统的耗散结构分析

1. 化工安全经济系统属于耗散结构

笔者在对耗散结构的特性进行分析之后, 发现化工安全经济系统和耗散系统的要求是基本相符的。 (1) 化工安全系统是开放的, 因此可以实现和所处环境的因素进行交换, 比如:财力、物力以及人力。 (2) 该系统也和平衡态远离, 而无序是平衡态的主要特点, 也就是说熵值越大, 混乱的程度也就最大。此时, 如果要保持正常的生产秩序, 就需要加大安全投入, 这样才会打造出安全的作业环境。 (3) 化工安全经济系统的子系统和内部要素二者属于非线性结构, 因此复杂的非线性关系存在于安全投入与安全产出之间。在安全投入和安全产出方面, 化工企业不同, 部门不同, 二者也是不均等的。 (4) 外界环境的影响对化工安全系统具有很大的干扰和影响, 因此随机涨落的状况就会产生。如果涨落影响到达一定的程度, 那么突变就会在系统中产生, 这样系统的无序状态就会被打破, 从而走向有序。通过上面的分析, 我们不难发现化工安全经济系统是耗散结构。