物質是如何消失的當一噸重的木頭燒成灰後,那些重量是怎麼消失的

我們從小就學到質量守恆定律、能量守恆定律甚至是質能守恆定律。可以説,守恆定律從誕生之日一直持續至今,都是十分堅實的物理學理論,當牛頓的三大力學定律和萬有引力定律在大尺度下和小尺度下都產生了巨大誤差時,守恆律依舊堅如磐石;
物質是如何消失的當一噸重的木頭燒成灰後,那些重量是怎麼消失的
當然,波爾對“實驗中丟失的一小部分質量”產生疑惑,甚至一度想要否定能量守恆時,實驗(發現中微子)最終還是捍衞了守恆律。如果守恆律是確實成立的,就會有一些人在思考一些問題,比如,燃燒過程中,燃燒過後,留下來的質量似乎都比反應之前要少得多,那這部分損失“質量”到底哪去了?
這個問題看似很簡單,實際上並不簡單,這裏就涉及很多問題,比如燃燒反應以及愛因斯坦的質能等價。我們今天就來聊一聊這個問題。
燃燒反應
我們就拿“燃燒木頭”來舉例子。要搞清楚木頭的燃燒反應,我們其實就應該先搞清楚木頭的主要程度到底是什麼?
物質是如何消失的當一噸重的木頭燒成灰後,那些重量是怎麼消失的
木材中的主要成分是木質素、纖維素及半纖維素,這裏指的是乾燥的木材。纖維素是一種由葡萄糖衍生而來的結晶聚合物,大概佔據總物質的41%~43%。如果我們從元素的角度來看,構成木材的主要成分是碳,氫,氧。具體的佔比是:
碳大概佔44%
氫大概佔6%
氧大概佔42.5%
剩餘的,還有大概0.5%的氮元素,以及不到1%的其他元素。我們從木材的成分來看,木材的燃燒主要就是碳燃燒。
通過初中的化學課,我們也知道,碳燃燒的結果是生成二氧化碳或者一氧化碳,這取決於是不是在充分燃燒。
我們要注意的是,燃燒的過程實際上是有氧氣的介入,也就是説,有其他的反應物加入了反應,整個系統的質量理應增加的,增加的部分就是“參加氧氣的質量”。
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但當我們稱量時,只能稱量燃燒後剩餘的物質,這些並不是所有的生成物,在眾多生成物中,最主要的部分以二氧化碳和一氧化碳的氣態形式飄走了,進入到了地球的碳循環當中,成為碳循環的一部分。
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我們無法用肉眼看到這部分,更無法拿天平對這部分稱重,所以,這才會讓很多人覺得整個燃燒過程中少了“質量”。實際上,丟失的絕大部分“質量”,幾乎99.99999999%以上的質量都是以氣體的形式離開了系統。假設,我們擁有一個封閉的系統,確保了系統內有足夠氧氣,而且生成的二氧化碳和一氧化碳無法從這個系統中出去,那系統在反應後再進行稱量得到的結果是什麼呢?
實際上,最終的稱量結果還是“丟失了一部分的質量”,這裏要補充一句,這裏指的是秤的精度能夠達到理想狀態,在小數點後16位開外還能測得準。那丟失的“質量”哪去了?
質能等價
二氧化碳的燃燒,本質上是一個放熱反應。這部分熱最終會以能量的形式丟失掉。那這部分能量和丟失的質量到底是什麼關係呢?
實際上,它們就是一回事,我們可以用愛因斯坦的質能方程E=mc^2把它們之間的關係表述出來。質能方程實際上是愛因斯坦在1905年,發表的4篇論文中的其中一篇,叫做《質能等價》的論文推導出來的方程。
在這篇論文中,愛因斯坦統一了質量和能量,他認為質量和能量是一回事,是一個物體的兩個屬性,質量裏還有能量,能量裏也還有質量。所以,木材燃燒的過程中,跑掉的能量,實際上對應着質量,通過質能方程的移項,我們就可以得到m=E/c^2,也就是説對應E/c^2的質量丟失,其中c=3*10^8m/s,所以,這個丟失的質量是極其小的,在小數點後十多位開外,很難能夠測得出來,但並不是不存在這部分質量的丟失。
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所以,通過木材的燃燒反應,我們最起碼要搞清楚守恆律到底是什麼?實際上,質量和能量是一個東西,那麼反應前後的質量是守恆的,能量也是守恆的,也因此質能是守恆的,質量和能量是等價關係,而不是質量和能量是轉化關係。

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