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我們從小就學(xué)到質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律甚至是質(zhì)能守恒定律?？梢哉f，守恒定律從誕生之日一直持續(xù)至今，都是十分堅(jiān)實(shí)的物理學(xué)理論，當(dāng)牛頓的三大力學(xué)定律和萬有引力定律在大尺度下和小尺度下都產(chǎn)生了巨大誤差時(shí)，守恒律依舊堅(jiān)如磐石；  當(dāng)然，波爾對“實(shí)驗(yàn)中丟失的一小部分質(zhì)量”產(chǎn)生疑惑，甚至一度想要否定能量守恒時(shí)，實(shí)驗(yàn)（發(fā)現(xiàn)中微子）最終還是捍衛(wèi)了守恒律。  如果守恒律是確實(shí)成立的，就會有一些人在思考一些問題，比如，燃燒過程中，燃燒過后，留下來的質(zhì)量似乎都比反應(yīng)之前要少得多，那這部分損失“質(zhì)量”到底哪去了？ 這個(gè)問題看似很簡單，實(shí)際上并不簡單，這里就涉及很多問題，比如燃燒反應(yīng)以及愛因斯坦的質(zhì)能等價(jià)。我們今天就來聊一聊這個(gè)問題。 燃燒反應(yīng) 我們就拿“燃燒木頭”來舉例子。要搞清楚木頭的燃燒反應(yīng)，我們其實(shí)就應(yīng)該先搞清楚木頭的主要程度到底是什么？  木材中的主要成分是木質(zhì)素、纖維素及半纖維素，這里指的是干燥的木材。纖維素是一種由葡萄糖衍生而來的結(jié)晶聚合物，大概占據(jù)總物質(zhì)的41%~43%。 如果我們從元素的角度來看，構(gòu)成木材的主要成分是碳，氫，氧。具體的占比是： 碳大概占44% 氫大概占6% 氧大概占42.5% 剩余的，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(xué)課，我們也知道，碳燃燒的結(jié)果是生成二氧化碳或者一氧化碳，這取決于是不是在充分燃燒。  我們要注意的是，燃燒的過程實(shí)際上是有氧氣的介入，也就是說，有其他的反應(yīng)物加入了反應(yīng)，整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量理應(yīng)增加的，增加的部分就是“參加氧氣的質(zhì)量”。  但當(dāng)我們稱量時(shí)，只能稱量燃燒后剩余的物質(zhì)，這些并不是所有的生成物，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(tài)形式飄走了，進(jìn)入到了地球的碳循環(huán)當(dāng)中，成為碳循環(huán)的一部分。  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(gè)燃燒過程中少了“質(zhì)量”。實(shí)際上，丟失的絕大部分“質(zhì)量”，幾乎99.99999999%以上的質(zhì)量都是以氣體的形式離開了系統(tǒng)。 假設(shè)，我們擁有一個(gè)封閉的系統(tǒng)，確保了系統(tǒng)內(nèi)有足夠氧氣，而且生成的二氧化碳和一氧化碳無法從這個(gè)系統(tǒng)中出去，那系統(tǒng)在反應(yīng)后再進(jìn)行稱量得到的結(jié)果是什么呢？ 實(shí)際上，最終的稱量結(jié)果還是“丟失了一部分的質(zhì)量”，這里要補(bǔ)充一句，這里指的是秤的精度能夠達(dá)到理想狀態(tài)，在小數(shù)點(diǎn)后16位開外還能測得準(zhǔn)。那丟失的“質(zhì)量”哪去了？ 質(zhì)能等價(jià) 二氧化碳的燃燒，本質(zhì)上是一個(gè)放熱反應(yīng)。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(zhì)量到底是什么關(guān)系呢？ 實(shí)際上，它們就是一回事，我們可以用愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2把它們之間的關(guān)系表述出來。質(zhì)能方程實(shí)際上是愛因斯坦在1905年，發(fā)表的4篇論文中的其中一篇，叫做《質(zhì)能等價(jià)》的論文推導(dǎo)出來的方程。  在這篇論文中，愛因斯坦統(tǒng)一了質(zhì)量和能量，他認(rèn)為質(zhì)量和能量是一回事，是一個(gè)物體的兩個(gè)屬性，質(zhì)量里還有能量，能量里也還有質(zhì)量。所以，木材燃燒的過程中，跑掉的能量，實(shí)際上對應(yīng)著質(zhì)量，通過質(zhì)能方程的移項(xiàng)，我們就可以得到m=E/c^2，也就是說對應(yīng)E/c^2的質(zhì)量丟失，其中c=3*10^8m/s，所以，這個(gè)丟失的質(zhì)量是極其小的，在小數(shù)點(diǎn)后十多位開外，很難能夠測得出來，但并不是不存在這部分質(zhì)量的丟失。  所以，通過木材的燃燒反應(yīng)，我們最起碼要搞清楚守恒律到底是什么？ 實(shí)際上，質(zhì)量和能量是一個(gè)東西，那么反應(yīng)前后的質(zhì)量是守恒的，能量也是守恒的，也因此質(zhì)能是守恒的，質(zhì)量和能量是等價(jià)關(guān)系，而不是質(zhì)量和能量是轉(zhuǎn)化關(guān)系。  |
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