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把一斤鹽放進一斤水,最終的結(jié)果不一定是兩斤
根據(jù)質(zhì)量守恒定律,照理說,一斤水溶一斤鹽的情況,就應(yīng)該是2斤,因為物質(zhì)是不滅的,整個過程的質(zhì)量就應(yīng)該守恒的。如果我們從微觀的角度來看,整個過程中,構(gòu)成物質(zhì)的粒子實際上并沒有發(fā)生任何變化,質(zhì)量也就不應(yīng)該增加或者減少了。
但這個看似簡單的答案,實際上卻暗藏玄機。那具體是咋回事呢?
這里我們就需要分幾種情況來進行討論。
從溶液的角度來看
我們知道,鹽溶于水會變成溶液。因此,如果純粹看溶液,那結(jié)果就很難說了。比如:如果我們用的是日常生活中的食鹽,100克水中可以溶解的食鹽是36克。因此,一斤水只能溶180克的食鹽(氯化鈉,NACL),那此時鹽溶液的質(zhì)量就是一斤加上180克,也就是680克。此時,就是不滿2斤的。
但是,鹽也分很多種,食鹽只是其中一種,鹽類化合物家族的成員有很多。比如:在常溫下,次氯酸銀(AgClO4)的溶解度是5570g/L,而氟化銀(AgF)的溶解度是1800g/L,硝酸銀(AgNO3)的溶解度是219g/L。如果我們用水溶這三種鹽,1斤水都可以完全溶解掉1斤的鹽,那么此時的溶液的重量就是2斤。
質(zhì)能等價
如果我們就只看整體呢?那就一定是2斤嗎?
答案顯然不是這樣的,實際上總會和2斤有些出入。要知道大部分的鹽溶于水時,都會對外放熱,也就是說,在整個過程當中會損失掉一部分的能量。這部分能量主要是電磁波的形式對外釋放的,因此,整體上能量是變少了,那此時質(zhì)量就應(yīng)該是小于兩斤的。
可能你要問了,為什么能量減少,質(zhì)量就會減少呢?
這就要提到愛因斯坦的質(zhì)能等價理論了。在1905年,愛因斯坦曾經(jīng)發(fā)表過4篇極具開創(chuàng)性的論文,其中最后一篇就是質(zhì)能等價理論,它是狹義相對論的補充篇。在這篇論文中,愛因斯坦統(tǒng)一了質(zhì)量和能量,他認為質(zhì)量和能量壓根就是一碼事,是一體兩面的,物質(zhì)擁有質(zhì)量的一面,同時也兼具著能量的一面,質(zhì)量里有能量,能量里有質(zhì)量,質(zhì)量和能量可以用等價方程來描述,這也就是大名鼎鼎的質(zhì)能方程E=mc^2。
通過質(zhì)能等價理論,愛因斯坦就把能量和質(zhì)量關(guān)聯(lián)了起來,即便是純粹的能量也有質(zhì)量的一面,只要物質(zhì)有質(zhì)量的屬性,就能夠同時蘊藏著能量。日常生活中,我們是不太能夠察覺到能量有質(zhì)量的一面。這主要是因為E=mc^2,而這里的c是光速3*10^8m/s,通過移項我們就會得到m=E/9*10^16,所以需要相當大的能量,至少是10^12J以上的能量才能顯現(xiàn)出質(zhì)量來。這也解釋原子彈為是什么只損失了一小部分質(zhì)量就能有如此巨大威力的原因。
因此,如果鹽放到水中溶解時對外釋放能量,那么整個系統(tǒng)實際上也在失去質(zhì)量,所以整個系統(tǒng)的質(zhì)量就會小于2斤。當然,也有部分鹽溶于水時是在吸收能量的,比如:硫酸銨,氯化銨,硝酸鉀,它們在溶于水后,系統(tǒng)的能量提升了,質(zhì)量也就提升了,那就是大于2斤。當然,也有像氯化鉀這樣的,整個過程系統(tǒng)的溫度不變,能量不變,那么質(zhì)量就不變,也就是說,氯化鉀溶于水后,整個系統(tǒng)的質(zhì)量還是2斤。
不過,這里要多說一句,我們是假設(shè)環(huán)境溫度不是很高,也不是低。因為溫度的改變,會改變鹽的溶解度,同時由于熱傳遞的存在,也會影響到整個系統(tǒng)的溫度變化,進而影響到整個系統(tǒng)的能量和質(zhì)量的變化。
如果我們要嚴格地讓整個過程沒有質(zhì)量變化,那可以讓整個系統(tǒng)處于一個完全密封的狀態(tài),不和外界有任何物質(zhì),能量上的交換。那么,此時不管用什么鹽,在什么溫度環(huán)境下做這個實驗,實驗的過程中放不放熱,或者吸不吸熱,最終的結(jié)果都會是2斤。
不過,這里要補充一句,正如上文說到的,能量和質(zhì)量之間存在的E=mc^2的等價關(guān)系,能量的些許變化是會影響到質(zhì)量的,但是作用很小,基本在小數(shù)點后10多位才顯現(xiàn)出影響來,這個使我們的儀器都很難測量出來的差異。
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