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为何一斤盐溶于一斤水,很难得到两斤总重?爱因斯坦:质量即能量

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zxw88 发表于 2022-7-29 04:07:14 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
如果将一斤水加到一斤盐中,我们得到的总重是多少?
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有人说是两斤,有人说比两斤多,还有人说比两斤少,总之一时间争论不休。
于是大家纷纷做实验想要得到答案,其中一个实验由于设备有限,只能将一杯50克的水放到50克的盐中,结果你猜怎么着?得到的总重竟然是101克
接下来咱们就来了解一下,为何一斤盐溶于一斤水,很难得到两斤总重?如果用爱因斯坦的话来回答,那就是质量即能量
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质量守恒定律
从化学反应上看

咱们都知道,当物质发生化学反应时,会遵守一个规律,那就是质量守恒定律
也就是说,如果将一斤水放到一斤盐中,我们得到的总重量就应该是两斤。
但是很显然,我们通过实验,似乎可以否定这一结论,难道质量守恒是错的吗?
关于这一定律,最初的发现者是俄国科学家罗蒙诺索夫,他在1756年,将放在密闭的容器中燃烧,随后对容器和容物内的物质的总质量进行观测。
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罗蒙诺索夫
结果发现,得到的质量和燃烧前并没有发生变化,后经过反复实验,得到的都是一样的结果,于是他认为在化学变化中,物质的质量是守恒的
后来经过其他科学家反复实验,得到的都是一样的答案,但是当时有人提出,在之前的实验中,测量的工具和技术都很落后,因此肯定存在误差。
爱因斯坦的质能方程
随后爱因斯坦又提出狭义相对论,并给出了质能关系公式(E=mc2),其中E是能量,m是质量,c是光速。
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爱因斯坦和质能方程
在他看来,孤立的系统中,物质可以转化为辐射能,而辐射能也可以转变为物质,在这个过程中,物质的状态可以发生变化,但是不代表消失了。
也就是说,所有粒子的相对论动能与静能之和,可以在相互作用的过程中,保持不变。
很多科学家基于这一问题进行研究,结果发现,很多重元素的原子核都不稳定,它们会发生衰变过程
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元素
在自然环境中,这些重元素会衰变成比自己轻的元素,由此循环,直到衰变为稳定的铅元素
而科学家还发现,不管是经历α衰变还是β衰变,产生的物质质量会比衰变前的物质略微少一些。
这显然和科学家最初认定的质量守恒,出现了偏差。
如果用爱因斯坦的质能方程来解释,即便该物质的粒子种类和数量没有发生变化,但是当它进行化学反应时,就会释放和吸收热量
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元素衰变
这些释放出的热量,就是来自分子或原子间化学键储存的能量。
而得到的热量,最终也会储存在化学键中。
于是在二十世纪初,科学家再次进行实验,当时的精密测量技术已经得到高度发展。
他们发现原子核裂变可以产生巨大的能量,于是科学家将1 000克硝化甘油爆炸之后,得到的能量为8.0×10^6 J
如果用质能关系公式计算,那么产生的能量质量应该是8.9×10^-8 g
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原子核裂变
那么这样来看,该物质在前后发生变化后,其产生的质量差几乎可以忽略不计,即便是用现在的实验技术,也很难测算出来。
所以在经过这些实验验证后,人们才将原本的质量守恒和能量守恒,合并在一起,形成了质能守恒定律
但是如果要用这一定律来看盐溶于水后的总重变化,似乎并不太准确。
盐溶于水的质能变化

一般来说,爱因斯坦的质能方程主要是用于解释核变反应中的质量亏损和计算高能物理中粒子的能量。
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原子弹爆炸
因此一般只有核裂变、核聚变和正反物质的湮灭,才会用到这个公式。
现在用于解释盐溶于水的问题,得到的能量变化可能会更小。
但是一定要说,也不是不行。
溶解过程有条件

我们需要先明确一点,在进行实验的过程中,实验结果会受到多方面因素的影响。
如果溶解时的温度、压强和溶剂的种类都会产生不同的结果。
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盐和水
不同溶剂会得到不同结果
我们知道,盐的种类有很多,其中大部分在溶于水的过程中都会释放出热量,这种热量就会以电磁波的形式辐射出去
也就是说,在这个过程中,当盐的能量下降后,盐与水混合的总质量就会降低,于是我们就会得到1+1的结果。
但是还有一些盐,它们在溶于水的过程中,会吸收热量,比如氯化铵,于是我们最后得到的总重量,就会呈现1+1>2的结果。
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氯化铵
比方说,我们在实验中一般用到的就是食盐,也就是氯化钠。
在常温常压下100克水只能溶解35.9克的盐,而一斤水是500克,所以最终能够溶于水的盐是3.59两,而剩余的部分就会沉入杯底。
也就是说,其中有3.59两的盐,会在溶解的过程中吸收热量,于是此时这部分的质量其实已经增加了。
而没有发生反应的6.41两,就不会发生反应,所以质量不会变,那么最后我们得到的总重,就会增加。
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不同盐的溶解度
而如果采用的是硝酸银,在常温常压下,100克的水可以溶解220克的硝酸银。
也就是说,一斤的水完全可以将一斤硝酸银溶解,那么在整个反应过程中,温度、能量和质量都不会发生变化,于是我们最后就会得到两斤不饱和的硝酸银溶液。
不同环境下的实验
那么我们现在来考虑在封闭环境和非封闭环境下,得到的实验结果又会是什么样呢?
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实验环境
我们个人一般在做这类实验的时候,肯定无法做到密闭的系统,也就是说,在盐溶于水的过程中,我们肯定会受到外界环境的干扰。
我们日常的室温大约在30-40℃,此时环境中的热传递会使得系统的质量发生变化。
此时如果采用的水温为20℃,那么这个温度就低于室温,于是水就会“不自觉”地吸收外界的能量,而此时水汽蒸发的速度也很快。
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水会蒸发
那如果,在室温15℃的情况下,就会出现和上面相反的情况,此时的室温低于水温,于是水就会散热,但此时水汽蒸发的速度也会变慢。
在这两种情况下,我们很难了解到去,水释放和吸收的热量,与具体蒸发的水到底那个更多,所以最后得到的实验结果,就会出现误差。
而如果我们拥有一个理性的实验环境,保证盐溶于水的过程中,整个系统不会和外界的物质进行能量交换。
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不同的反应过程
那么整个过程也不会有任何质量损失,于是一斤盐溶于一斤水时,就可以得到两斤的总重。
可以不用将问题复杂化

总的来说,我们在讨论这个问题的时候,需要考虑到多方面的因素。
像盐溶于水这样的问题,我们虽然可以较真的用质能守恒定律来解释,但是就必须加上一个前提条件:在密闭的环境下。
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盐溶水实验
当然了,还有人要认为,即便是现在的称,也不一定能够精确地称出物体的质量,因此这样的实验,我们普通人去做,难免会存在很大的bug。
所以这就要看大家,最终从哪个角度去看这个问题了。
或许你们有进行过这样的实验吗?你们得到的总重量是否等于2斤呢?可以在评论区分享一下你的结果。

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