上学时我们都学过化学,都明白燃烧属于化学反应,比如说最常见的木头燃烧。这种化学反应最直观的表现就是产生了火,而火也是一种物质,是一种温度非常高的等离子体,燃烧的过程中通常会释放出大量的能量。
我们的祖先在上万年前就会使用火,用来驱赶动物,取暖,煮熟出更美味的食物。火的使用在人类文明进程中起到了非常重要的作用,可以说奠定了人类文明的开端,人类历史上有很多图腾都与火有关。
其实人们早就发现了,一堆木头燃烧之后,只剩下少许的灰烬,那么之前那么多的物质都去哪里了呢?
这个问题并没有困扰人们很久。古人也已经有相当的了解,只不过还不是太完善。
到了近现代,随着化学物理学的发展,人们逐步掌握了燃烧以及化学反应的本质。如今我们知道,化学反应,其实只是原子之间结合方式发生了改变,化学键的重组。化学反应前后,总质量是不变的。
为什么总质量不变?
因为化学反应前后,物质的原子数量并没有发生变化, 只不过是重新组合了而已。此外人们也发现,不管你对任何物体施加任何形式的外力,也就是物理作用,物体的形状会发生变化,但质量不会变。
所以人们根据化学和物理变化总结出来一个著名的定律:质量守恒定律。
相信很多人都会想起来上学时学过的各种化学反应公式,比如说氢和氧燃烧会生成水,这个过程总质量是不变的。
那么化学反应变化的是什么呢?我们都很清楚,是分子发生了变化,分子种类数量发生了变化,也就是物质形态变了。
木头中的主要成分是碳元素,还有少量的氢和氧以及微量元素,比如氮,钾,钙,钠,磷,硫等。在燃烧的过程中,很多元素会与氧结合,生成氧化物。
木材中碳元素含量最高,大部分的碳与氧结合,生成了二氧化碳或者一氧化碳,悄无声息地进入大气中,我们很难察觉到。
在密闭的孤立系统中,无论物质发生怎样的变化,不管是物理变化,化学变化,物质的总质量的都是不变的。物质不会平白无故地消失,也不会无故地产生,只能相互转化,从一种物质形态转化成另一种物质形态。
所以,如果在一个绝对密闭的环境中做燃烧木头的实验,然后测量燃烧前后的所有物质(包括气体,水蒸气,灰烬等)的总质量,就会发现两者基本相等。
一般情况下,我们知道这些就行了,知道化学反应前后质量守恒就行了。
但请注意我刚才所说的“基本相等”,而不是绝对的相等,因为燃烧这种化学反应的背后其实还隐藏着更深层次的东西。
什么意思?
严格来讲,即使你木头燃烧之后所有物质都加起来,如果用非常精密的仪器去测量,你会发现总质量比之前还是少那么一点点,只不过差异实在太小了,一般情况下我们都忽略不计。
但科学是非常严谨的,我们需要知道这微小的差异到底是什么。
其实答案很简单,我们仅仅收集了木头燃烧之后的所有物质(包括各种气体,水,灰烬等等),但是燃烧过程中产生的热我们没有收集,也很难收集。
热是什么?是能量,而根据爱因斯坦相对论中的质能方程E=MC^2,能量与质量是等价的,能量也是质量。
事实上,宇宙更本质的东西是能量,而不是质量,质量只不过是能量的一种表现形式罢了,两者之间可以相互转换。
到这里你应该明白了为何木头燃烧之后质量会损失一点点,损失的其实是能量,根据上面的质能方程,能量除以光速的平方就是损失的质量。
而木头燃烧释放的能量本身就不是很多,再除以光速的平方,得出的质量就更小了,微乎其微,一般情况下完全可以忽略不计,一般的仪器也根本测量不出来这种微小差异。
这也是为什么一般情况下我们会说,化学反应前后质量保持不变,也就是质量守恒定律。其实更准确地来说,应该是能量守恒定律。
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