试论21世纪的工业革命

摘要：本文通过对工业革命概念的辨析，提出关于工业革命阶段划分的一个观点，对新工业革命做了重新定义；认为“让能量动起来、让热机冷下来、让排放变资源”这三个理念，是新的工业革命的创新发展的着力点，可以带来能源、动力、减排领域的大变革和大发展，进而推动一场新的工业革命。

关键词：工业革命；技术创新；技术创造；社会变革

1 工业革命的概念和特征

工业革命应该是人类历史上具有划时代意义的伟大革命。一百多年来，学者们就工业革命的定义争论不休，研究的问题越来越深入。但研究者即使对一些基本问题也很少形成共识，“究竟什么是工业革命”这一问题往往人言人殊。

从学术角度分析工业革命的字面，包含“工业”和“革命”两个部分。根据百度百科：工业（industry）是指采集原料，并把它们加工成产品的工作和过程。工业是社会分工发展的产物，经过手工业、机器大工业、现代工业几个发展阶段。革命，则是指推动事物发生根本变革，引起事物从旧质变为新质的飞跃，是一种实现社会变革的历史过程。

因此，本文认为工业革命就是造成工业过程、工业规模、工业技术等和工业息息相关的诸多领域均发生突变，对工业产生巨大影响、，引起跨越式进步和发展的一场社会、产业变革。

国内外学者把工业革命定义的研究分为社会变革学派、工业组织学派、宏观经济学派、技术学派、能源学派和消费学派等，这些研究分别从不同侧面去抓工业革命的特征。本文也根据这一百多年来工业革命的发展历程和发展成果，从工业的第二产业的实业属性出发，总结归纳出一些工业革命明显应具有的特征：

1.社会影响规模

工业革命引起社会发生广泛的变革，影响到工业和工业相关的各行各业的发展变化，不局限于某一单一领域或者少数几个领域；

2.市场经济价值

一场工业革命的发生，必然在相当长的时间里持续影响社会生产总值的大幅度增长，甚至要大到难以估量的地步；

3.技术理论进步

工业领域发生重大的理论突破和进步，这些系统、全面的新理论、新认识的应用，引起工业过程发生前所未有的变化，全社会产生强大的变革发展的内在动力；

4.生产力的发展

真正的工业革命必然带来人类社会生产力的巨大的、飞跃式的发展，同时也推动生产关系的巨大变化；

5.历史因果关联

新工业革命不应该是缓慢、渐进、累加式的发展，几乎没有和历史的渐进性关联，是一种在现有的工业发展过程中产生新的爆炸式增长、突变式发展。

这些都是一场工业革命应该同时具有的特征。人类已经经历过的第一次工业革命（动力机械的诞生和发展）、第二次工业革命（电的发现和应用）都具有上述这些特征。被社会普遍接受的已经发生甚至接近完成的“第三次工业革命”、“第四次工业革命”观点、说法，就不太符合上述特征。

第一次工业革命引起了从手工劳动向动力机器生产转变的重大飞跃。这场革命的过程一直延续到今日，我们人类离不开的各种机器设备，特别是动力设备，几乎都和这场革命的开始而同时诞生，并在这100多年中不断、循序渐进的发展和完善。即便是刚刚退出历史舞台的蒸汽机车，仍在极少数的应用场合发挥着作用。第二次工业革命则让人开始使用“电”，这是和蒸汽机、内燃机完全不同的一次新领域的突破，从电灯、电话，有线电、无线电，电脑、互联网，都是“电”在发挥神奇的作用，都是人类随着对“电”的认识不断深入，“电”的应用领域不断扩展的过程。这个渐进、发展过程中没有哪一个阶段能单独称其为新的“工业革命”，充其量也只能是在某个小领域、小行业产生局部的“小革命”。应该说第一次工业革命、第二次工业革命从革命开始一直延续至今，还在不断进行中；能与之匹敌的新的“工业革命”还没有开始。

2 新的工业革命的基础和条件

到了今天，人类社会的生产力已经高度发达，生产关系也达到较高水平，体现在经济繁荣、社会稳定。通俗的说法就是到了几乎什么需要的东西都能造出来，但是社会不知道该造什么了。到处都是“产能过剩”、“产品过剩”，整个社会消费需求乏力，人们对工业品的需求似乎都得到了满足，没什么大的需要了。偶尔出现一个新的市场，转瞬间就又饱和或过剩了，

找不到新的需求、新的增长点，现有的原材料“蛋糕”、半成品“蛋糕”、产成品“蛋糕”有限，一些曾经发达、现在落后的国家眼看吃不到、不够吃了，竞争不过我们，则开始“耍赖”，惩罚性关税、贸易制裁、编造谎言欺骗等手段纷纷出笼，目的就是减缓我们的发展，让发展先进的国家慢下来、走入歧途。我们则开始改进“供给侧”，按照西方的忽悠“去产能”，在提升“品质”上下功夫，这一定就能让社会产生新的需求？难道人类生产力发展到了一定阶段就要“挥刀自宫”？真是“出头的椽子先烂”？我们现在大幅度消减全世界公认的重要战略物资煤炭、钢铁的产能，努力淘汰低水平产能。劣质煤停产，低标号水泥停产，低品质钢材停产，但如果哪天都到了高水平产能，都提升变成优质煤、高标号水泥、高品质钢材，再“过剩”了，又怎么办？生产出来高品质的、超越需求的“过剩产品”，能保证卖掉吗？

“引发工业革命的必要性是市场！”今天，实体经济发展却遇到瓶颈，能源危机也已经迫在眉睫。如果找不到“更大的蛋糕”，各个阶级、各种利益集团对现有“蛋糕”的争夺和分配的斗争将不断加剧，因此人类亟需再来一场真正的工业革命。

但什么才是工业革命？工业革命从哪里开始？靠什么实现工业革命？有人说靠模式、有人说靠信息、有人说靠智能化。依据本文总结的工业革命的特征可以得出，能称之为革命的，一定是大动作，一定是让人们生产、生活发生巨大变化的东西，一定是在经济规模上占据主要地位的部分，是“基础硬件”，不是“应用软件”。能源、动力每个人都离不开，每个国家都高度重视，第三次工业革命、新工业革命，一定还是从关乎人类生存、发展的基础产业：能源和动力开始。

3 新工业革命的理念和方法

产业的革命，首先是理论的革命，只有理论的革命性发展，才会带来产业的革命性变革。人类对于自然科学基本规律的研究已经接近尽头，科技工作者除了研究石墨烯、引力波，还有没有和具体生产生活有着广泛、密切相关的重大创新研究内容呢？还有没有大变革的机会呢？

创造是从无到有，创新是从有到用。人类现在对地球资源已经基本上了解清楚，容易获得的资源已经开发殆尽，从创造、发现的角度，已经开始研究开发页岩气、可燃冰了，能不能回头看看，还有什么可以创新的地方？我们有没有忽略什么东西？

我们提出“让能量动起来、让热机冷下来、让排放变资源”的理念创新，让能量流动转移的方式带来各行业大幅度节能；让现有的各类发动机工作温度段落下调，使常温的热量也能转化为动力；让习惯排放的二氧化碳变为财富、资源、肥料，同时创造比燃烧热更高的效益！下面逐一进行解释说明。

3.1 让能量动起来，能源应用观念创新

3.1.1 用能量搬运移动、高能效比的方式大幅度提高能源利用效率

人类千百年来养成了一个思维惯性：只要需要热量，就习惯用传统的煤、气、油、电等能源转换成热能。人们熟知的能量守恒定律，让许多人忽略了一种叫“热泵”技术的热能搬运 “杠杆”。即消耗一份能量，带动其他介质中已有热量的再利用，在得到同样多的热能时，新消耗的高品位能源、石化燃料会大大减少，可实现大幅度节能减排。

热泵技术有很多种，空调、制冷系统采用的是一种压缩式热泵系统，空调可以高效率地将室内外的热量来回搬运，夏天，把房间里的热量搬到室外；冬天把室外的热量搬到室内，能效比普遍在3倍以上，换句话说，比直接消耗能源物质获得热量的方法，节约能源三分之二以上！

人们使用空调、冰箱已超百年，这些年逐步推广开的水源热泵、地源热泵，也都是该原理的典型应用。遗憾的是，虽然能效比高，节能效果明显，但这些应用场合的设计温度太低，以输出温热水为主，主要用于空调、制冷、采暖、生活洗浴等，没有更高的工业利用价值，未能涉及工业领域的高耗能环节，难以产生更好的节能减排社会效益。

热泵技术本身从来没有“说过”自己不能超过100℃，难道只能用在几十度上？经过我们的研究实践，证明热泵输出可以很容易地突破100℃，完全可以介入大多数工业领域的高耗能环节，实现能源消耗关键环节的大比例节能。例如蒸汽锅炉，以前热泵技术只能在水加热70℃以下时起作用，涉及的工作范围太小，所节约的热能最大只能占到全热的3%～8%，从系统复杂性、成本增加量等综合考虑，没有实用价值。当热泵介入“水-汽”沸腾高耗能环节，且保持较高能效比时，才是热泵技术得以获得应用上的突破的基础。

热泵有太多种类，驱动热泵工作的能量来源也包括电能、热能、势能等，只要你的需求不要超过200℃，现有的设备、技术、工艺完全可以组合出你要的系统，实现大幅度节能的目的。如果我们的锅炉能从现在努力追求100%的效率，变成起步就是200%～300%的效率或更高，节能50%以上，若我们家家户户的厨具节能60%以上，发热量就会成倍减少，厨房、车间就会变得凉爽。采用热泵蒸发方法处理污水，一吨污水耗电仅十几度，还能生产纯水。我们的洗衣机、厨具、暖气、热水器就全都变了，这样是不是就有变革的感觉了？

3.1.2 实现能源系统利用、阶梯利用提高能源利用效率

长期以来，人们在使用能源的过程中普遍采用单一、直接利用的方式，需要热量就烧油、烧煤；需要制冷就采用电驱动压缩式热泵或者热量驱动吸收式热泵。比如建设火电厂，不考虑余热的利用，用个大型冷却塔一散了之；建设数据中心则主要考虑电如何廉价获得，不考虑巨大的电能源消耗产生的热能如何利用，只是考虑如何尽可能低成本实现散热。

能量在生成、流动过程中可以输出机械能，然后最终才都转化为热能。我们发电扔掉余热，我们采暖忽略掉可能输出高品位机械能、电能的机会。没有进行优先高品位利用、全过程利用、高效率利用。

如果我们不要再建设大型、超大型火电站，反过来在让每一台锅炉成为先发电、后供暖供气的“小火电站”，那么还有“余热利用”的问题吗？能量利用过程中实现高品位利用，甚至可以利用高品位能源驱动“热泵”系统，让后续供暖、供汽的过程实际输出的能量大于燃料输出的总热值，能效比大于1，实现大幅度节能和能源的高效利用！

只要我们转变思路，采用系统、高效的用能方式，将热泵技术在能源综合利用的场合充分利用，实现将空气中的、污水里的、土壤里的、回收其他热源得到的热量搬到生产、生活设备中循环利用；实现企业内冷热作业面的热能调度；甚至让能量在时间、空间流动起来，实现跨地区、跨季节、跨行业应用，系统新增的能量消耗仅是原有能耗的几分之一，必然会大大提高能源的利用效率，减少能源消耗和对环境的污染，改变目前能源供给日趋紧张的状况。

3.2 让热机冷下来，动力理论创新

近三百多年的动力机械发展史，让人们习惯于用“高温”来获得动能输出，不论是内燃机、外燃机、火箭发动机等等，无一例外。包括现在的核动力装置，也是设法依靠核反应产生的热量，让工作介质达到高温、膨胀来输出动力。传统的动力获取理念的形成有历史原因。要想彻底改变目前的能源利用现状，必须打破惯性思维，在坚持基本的能量守恒、质能守恒定律的基础上，找出一条获取动力、利用能量、再循环利用能量的新思路。

热和功的单位都是焦耳，而焦耳和温度无关，也就是说，高温的热、低温的热，理论上转换为功的潜在能力是一样的，甚至从某种意义上说，越靠近绝对零度的状态下，“热量”越容易以较高的效率转化为功。功最后都变成热，而热必须借助某种介质和装置才可以部分变为功，物理学基本理论也没有限定什么温度下的热不能变成功。

瓦特看到壶盖子被水蒸气推的跳动而发明了蒸汽机，重要的地方本来不是水蒸气，是水汽化，体积膨胀，压力增高！加热仅仅是手段，膨胀才是目的。如果瓦特那个时代有干冰、有液氮，他如果给壶里面加干冰、加液氮，他还关心烧火吗？不用烧火，壶盖子就跳动了！他又会发明什么呢？

如果选择了液态空气这种-196℃的无色液体作为工质，自然界里常温的空气、河水、海水，都是相对“高温”的物质，都可能成为给它加热的“热源”和能量提供者，成为能源物质。只要将环境的热量传递给液态空气，它就能沸腾、膨胀、做功，就不再需要消耗其他石化燃料或生物质燃料来获取热量了。

我们提出一个用液态空气作为“工质”的系统方案。首先，制备液态空气的过程是热泵制冷输出热能的过程，可以用热泵技术得到高温热水或蒸汽输出利用，“副产品”就是被“冷却”成液体的液态空气；使用时，从液态空气汽化开始，就从环境空气、水、土壤中吸热获取能量变成势能，形成高压、常温的气体，然后适时、适量地进入现有内燃机的气缸等膨胀做功环节，模拟实现原来靠燃烧释放热量、介质吸热膨胀得到的同等压力环节，后续输出动力的过程则完全一样。

以汽车为例，改造前，汽车是带着能源物质，吸入不需要付费的环境空气，燃烧后释放的热量让反应后的混合气体猛烈升温、膨胀，势能在发动机内转换为动能，带动车辆运动，做功后尚有余热的废气被排放到环境中；改造后，汽车是带着超低温的工作介质，通过换热器，吸收不需要付费的常温空气的热量，沸腾、汽化、气化，升温膨胀，最后是高压常温气体推动发动机运转，带动车辆运动，膨胀释放内能后大幅度降温的空气则被重新排放到空气中。这个过程已经在实验中得到验证。初步估算，让发动机输出同样的动力消耗的“工作介质”体积是原来燃料消耗的2～5倍，而系统成本是使用燃料时的近十分之一！

创新使用液态空气作为工作介质，吸收环境热、发动机抛弃的余热、废热做功，会让飞机发动机不再喷火、火箭发动机没有尾焰，将使以热量形式丢弃的能量降到最低，使能量利用率、环境热利用率达到新高。近期英国空天飞机发动机研究工作取得较大进展，从中央电视台13频道2014年12月17日相关新闻消息中看到的发动机工作动画和同时公布的三种燃料成份，已经明确说明液氮是除了液氢、液氧之外的第三种“燃料”介质成份，明确说明空天飞机发动机用它确保发动机内部工作在较低温度，同时发动机仍然保持较高效率。

更有意思的是，如果汽车发动机的工作温度是从常温到低温，塑料就可以成为发动机的原材料，重量、成本会发生怎样的变化？原来不符合排放标准的旧车，把火花塞换为喷气塞，马上变成“零”排放，超欧N标准；如果飞机发动机内部工作温度下降，我们国家在耐高温材料、高温散热系统设计加工方面的短板就不复存在，发达国家的那部分优势也就体现不出来了，我们的大飞机发动机就可以来一次“弯道超车”，至少可以通过“抄近路”大大缩小差距。还有，如果火箭增加液态空气“辅料”，将“火舌”带走扔掉的热量，变成膨胀势能，全部喷射常温气流。根据能量守恒定律，热没有扔掉，只能转化为动能，推力是否增加、成本是否下降、环境污染是否减少先放一边，没有了红外、紫外特征，战略导弹防御体系就变成了“睁眼瞎 ”。

我们需要重新认识一下膨胀做功，不要把工作起点、工作温段限制在常温到高温，而从超低温到常温、超低温到超高温膨胀也完全符合基本的热力学定律。不能因为瓦特那个时候只有水能可用，没有见过液态空气，我们今天就也对液态空气视而不见。使用液态空气，就是另类的蒸汽机，虽然谈不上创造，但肯定是创新！是一个能引起动力机械发生一次大的变革的应用创新！

3.3 让排放变资源，减排理论创新

今天，工业领域和人们日常生活中都把排放二氧化碳当成一件理所当然的事，如化工厂、水泥厂、酒厂、火电厂等均是排放二氧化碳的集中“大户”。进行环境评价的时候，排放物里面如果没有特殊化合物，如硫化物、氮氧化物、粉尘即达到清洁排放的标准，排放物含有二氧化碳、水蒸气、热量其实都是局部环境空气的增量和干扰，也将影响局部环境指标，本应同样得到处理。

每个锅炉都有烟囱，煤炭燃烧后碳排放成为人类数千年养成的习惯，但是仔细分析一下，煤炭的燃烧过程是一个化学反应过程，在生成近4倍重量二氧化碳的同时，释放燃烧热。排放的二氧化碳其实是比燃烧过程释放的热更有价值的资源，目前国内生产成本价每吨150元左右，欧盟公布的成本每吨18欧元；市场批发价每吨高达500～800元，淘宝零售价更达到每吨一万元。化学产物的价值比释放的热能价值高2～3倍，人们长期以来都是抓了燃烧热这个“芝麻”，扔了燃烧化学产物这个“西瓜”。回收的二氧化碳则是光合作用的“三要素”之一，将收集的碳排放换个地方，喷施到农田、森林、草原、海洋则成为“气肥”，可以让绿色植物大幅度、成倍增产！

造成这个结果也有其历史原因，倒退几十年，烟气中二氧化碳几乎无法回收，回收了也没有什么太多用途，人类当时也没有减少碳排放的环境保护压力。但是今天则完全不同了，回收烟气二氧化碳的技术已经成熟，回收成本低廉，回收的二氧化碳用途广泛。人们也已经认识到碳排放对环境的危害，到了应该彻底处理碳排放、必须处理碳排放问题、可以从根本上解决碳排放问题的时候了。

我们在“脱硫脱硝”的过程中，习惯采用各种化学反应的方法，而没有用冷凝回收的技术。超低温技术在以前是不成熟的，人们习惯在各种“冷凝”工艺中，将“常温”作为冷凝的的最低温度，现在热泵技术非常成熟，低温、超低温都可以很方便的、低成本、高效率获得，在回收利用烟气热量的同时，也能实现烟气中热能回收、污染物直接“冷凝”回收，实现真正意义上的节能、减排、增效！

如果对我们人类普遍使用的燃煤、燃油、燃气过程进行改革，让每一台锅炉、每台燃烧装置像化工厂的反应设备那样工作，既利用燃烧反应释放的热量，还要利用化学反应产生的化学产物，把化石资源的价值“吃光榨净”，在减少环境污染物排放的同时，实现效益的大幅度增加，实现低碳、减排、增效的有机统一。

套用前文所述的工业革命的五个特征来衡量，“让能量动起来”如能实现全社会能源消耗下降到现有水平的几分之一，几乎所有高耗能设备、生产系统都要改变用能模式，改变后的工艺、装备可以带来很好的经济效益，那么这个变革足够广，规模足够大；“让热机冷下来”将影响几乎所有消耗燃料的机械装置，包括车、船、飞机等，仅仅全世界汽车保有量就达到10亿，用这个理论对车辆进行改装就是一个巨大无比的市场，全世界都行动起来，也难以在几十年内改完；“让排放变资源”则理清了碳排放、碳循环的几个关键环节，让人们从大自然获取资源和回馈的过程变得合理、经济、自然。虽然这几个理论、理念非常简单，有“历史因果关联”，但带来的影响是人们长期忽视、长期积累的问题，得到彻底的泄放处理，结果是“爆炸性”的。虽然理论没有发展，但对成熟理论的认识则大大加深，某种意义上返璞归真、彻底到位。这应该可以带来一场新的工业革命！这场二十一世纪的工业革命，将是第一次、第二次工业革命的深化、继续，也将是在此基础上的一场彻底的工业革命

看看周围，100年左右一成不变的东西太多了，别说工业领域，小到生活中常见的空调、冰箱、灶具，大到锅炉、汽车、轮船、飞机、火箭等等，除了少数产品在细节上有些进步以外，关键环节、高耗能环节几乎没有变化。或许因为不知道怎么变，或许因为不想变，或许因为不敢变，今天都该变变了！我们发展的机会、空间还少吗？

我们对诞生于100多年前的许多公理、定理已经熟知，但往往还带了一些前人、老师的偏见去理解和认识，“需要对基础理论进行清醒的再认识”；早期的一些应用理论由于受到当时本学科或其他学科发展的限制，存在一些“历史局限性”造成的落后和不足，“需要对重要的应用理论进行大胆的再发展”；以前信息交流不畅，一个人穷其一生能精通一门学科就实属不易，而现在，分分钟就能找到其他学科的信息、理论、专家进行学习交流，技术人员应该一专多能，“需要我们放手进行跨学科交叉应用创新”！

创新是看得见、摸得到、听得懂、做得出，没有门槛、没有壁垒的东西。本文满篇没有什么创造，只有一些朴素简单的思考。需要的就是打破常规、打破行业限制、忘记前人、老师的“教诲”，返璞归真，重新看待每一个成熟技术，研究它们在其他领域的应用价值，做好针对市场需求、生产需求和生活需求的应用创新。现在，新工业革命的基础理论早已具备，经济条件非常成熟，需求也已经十分迫切，只是需要我们大家一起投身并实现之。

后记：近年来，社会上流行很多关于工业革命的提法，好像处处都是革命、什么都能带来革命，笔者认为这不够严肃。比如3D打印技术是让我们从高度机械化、自动化的大生产返回到“个性化定制”、“单件小批量”的手工作坊，能带来制造业革命吗？制造能“智能”吗？是不是我们的机床、加工中心变得智能化加工精度自然就能提高？材料强度也能因为“智能”而提高？电动汽车明明是有100多年历史的“电池+电动机”的一个翻新的老古董，怎么成了新能源车了？互联网充其量也就是一种通信技术的先进形态，如果这也算革命，那么高铁让人们的工作生活也发生巨大变化，也是“革命”了？放眼望去，机器人、自动驾驶汽车、物联网、云计算，如果都是革命，还有真正的“革命”吗？

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