03.07 电是一种能量,电能有质量(重量)吗?同一块电瓶,满电时和亏电时的重量是否一样?

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电是一种能量,电能有质量(重量)吗?同一块电瓶,满电时和亏电时的重量是否一样?

助力电动车已经相当普及,因此充电几乎就是每天都会发生的事情,当然好事的吃瓜群众也有一个刁钻的问题,根据质能方程,充电是一个电池吸收电能的过程,理论上来看电瓶的质量应该会增加,但事实上大家都知道,充电只是一个电化学发生过程,质量真的会增加吗?下文以铅酸电池为例来个简单说明。

铅酸电池的结构和充放电过程

铅酸电池是一种历史比较悠久的蓄电池,法国人普兰特于1859年发明了铅酸电池,经过150年的发展,现在已经应用到了各行各业,比如汽车启动电池,机房UPS电池,甚至你家里的电动助力车大都用的是铅酸电池。

典型的铅酸电池结构

铅酸电池的正极板主要成分是二氧化铅,负极板的主要成分是铅,充电状态下,两极的均有铅转换为硫酸铅。单格铅酸电池标准电压是2V,我们常用的12V铅酸电池是用6格2V的电池串联而成,一般情况下12V的电池充满电压为13.5V以上,可以放电到10.8V,也可以深度放电,但损伤电池。

  • 铅酸电池充电过程

铅酸电池充电时,正极的二氧化铅材料在电解液(稀硫酸溶液)中水分子为媒介的作用下,与水生成可离解的不稳定物质一氧化铅,氢氧根离子在电解液中,铅离子则留在了正极板上,正极的一氧化铅中缺少电子!

铅酸电池的负极材料是铅,与电解溶液中的稀硫酸反应生成铅离子,转移到电解液稀硫酸中,因此负极上多了两个电子。

铅酸电池的充电反应过程

此时在接通正负极电极以前,正极板上缺少电子,而负极板上则有多余电子,两极之间存在电位差,这就是铅酸电池的电动势来历!

  • 铅酸电池放电过程

放电时在两极板子的电位差作用下,负极板上的电子经过负载进入正极从而形成电流,与此同时电池内部的化学反应过程也同步开始,负极板上铅原子释放出两个电子后生成铅离子,和电解液中的硫酸根离子反应生成硫酸铅。正极板上的铅离子获得两个电子后成为二价铅离子,和电解液中的硫酸根离子反应在极板上生成硫酸铅。

铅酸电池放电过程

放电时电解液中硫酸的浓度下降,正负极板上的硫酸铅增加,铅酸电池的内阻加大,电池电动势降低,负载带动能力下降。

铅酸电池的充放电过程中质量会发生变化吗?

从点化学反应过程角度来看,充放电前后电池的质量是一致的,因为在充电过程中尽管有电子流经电池,但电池却不会多截留一个,当然放电时电池也不会少一个电子,假如将电池看成是一个封闭系统的话,里面啥都没有增加,当然也没有减少,因此从质量守恒角度来看,充放电前后电池质量是一致的!

但事实上这中间已经发生了能量交换,铅酸电池的充电效率大约是80%(锂离子电池可以大于97%),爱因斯坦的质能方程告诉我们,有能量发生的地方必定会产生质量变化,因此我们可以考虑下这个充电过程会产生多大的质量变化。

一节12V/100AH的UPS电池,其理论存放的电能约1200瓦/H,也就是1/3度电左右,如果按80%的效率计算,那么充电需要消耗大约1500瓦/H。

按1度(1kw·h)=3.6×10^6焦耳(J)计算,电池被充入的能量为1.2×10^6焦耳

电源消耗的总能量为:1.5×10^6焦耳。

那么E=mc2可以计算出总质量为:1.66×10^-11千克

电池获得的质量为1.34×10^-11千克

看起来电池还是变重了,尽管这个质量是任何一台天平都称不出来的。

电池的质量真的增加了吗?

其实您不要以为这事就完了,其实还没有,因为电池最终的质量最终还是减少了,因为电池在充放电过程中会发热导致电解液蒸发损失,另外还有一个电解的过程,这也导致氢气溢出,这可是一个危险的信号,因为氢气的爆炸弄度为4%-75.6%,范围极宽,当然你无需担心在家充电的电动车会在充电过程中氢气溢出,因为实在是太微量了,但蓄电池室的氢气溢出还是必须要考虑的。

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另外一个就是发热导致的水分蒸发,铅酸蓄电池的电解液硫酸浓度大致为1/3(硫酸:水),使用时间久了需要加蒸馏水,这就是水分蒸发或电解损失,这是可测量的质量,而因为充电增加的能量却只是理论可计算值,因此从宏观来看,蓄电池的质量还是减少了,而且充电一次少一次!


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现在的生活几乎每天都要给手机、平板等充电,有些人可能思考过这样一个问题:电池充电后质量会不会发生变化?如果质量发生了变化,那变了多少呢?

常用的手机电池是锂离子电池,充电的时候从外界获得的电能转化为化学能储存在电池中,电池放电的过程就是将化学能转化为电能的过程。电池的充放电伴随着能量的增加或损失,在经典物理学中物体能量的变化不会导致质量的改变,也就是说电池的充放电不会使电池的质量发生改变。

1905年,爱因斯坦给出了著名的质能方程。质能方程主要用来计算核反应时的质量变化,这容易让人误以为质能方程只适用于核反应。其实质能方程给出了能量和质量之间的当量关系,能量和质量之间既然存在当量关系就意味着一个物体吸收了能量或者释放了能量就有相应的质量变化。比如一个物体的温度升高,就会对应着质量的变化;对一块电池进行了充电或者放电,电池的质量也会发生变化。

电池充放电后的质量变化可以通过质能方程计算出来。假如一块手机电池的容量为2000毫安时,这意味着这块电池以2000毫安的电流向外放电可以持续放电1个小时。这样可以计算出这块电池充满电时储存的电能Q=UIt=3.7V×2A×3600s=26640J。根据质能方程可以知道,26640焦耳的能量就等于电池损失的质量乘以光速的平方,可以计算出电池彻底放电损失的质量为2.96乘以十的负13次方千克。

这样的质量变化在日常生活中看起来实在是太小,所以一般情况下不必考虑。如果换一个角度看的话,这个质量也不能算小。质子的质量是1.67乘以十的负27次方千克,一个2000毫安时的手机电池彻底放电后损失的质量接近200万万万个质子的质量。


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先来解决楼主后面一个问题:电池满电和无电时,电池的质量如何?答案是二者是相同的。电池供电发生的反应是化学反应,自然满足质量守恒定律,并且电池总反应不会产生易挥发物质(如:气体),因此电池无论你再怎么充电,再怎么耗电,电池总质量不变

再来说第一个问题,电是一种能量,它的能量主要来自于电子的定向移动,也就是说,电子的定向移动产生了电流。那我们知道,电子是有质量的,那么很明显,电能也应该是有质量的。爱因斯坦也告诉你:ΔE=Δmc²,c是光速,一个常数,c=299792458m/s,而且能量的转化越大,转化得到的质量越大,反之亦然。只是因为c²这个常数太大,因此Δm一般很小罢了


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虽然爱因斯坦给出了质能转化公式,并且后来人也证明了质量和能量可以转化,但并不意味着所有的能量都可以直接转化成质量,也不以为着所有的质量可以随意转化成能量。对于常规的能量来说,其并不能转化为质量。



比如说电能,其存在形式多样。比如以电容器的形式存储、以化学能的形式存储等等。假如是以电容器的形式存储,则满电时就是一端排列了正电荷,一端排列了负电荷,形成电势差;放完电后每段正负电荷相等。也就是说,充电和亏电时物质是一样多的,仅仅是正负电荷的位置不一样了而已,这里面根本没有涉及到能量的转化,也没有质量的转化。


再比如化学电池,这种纯粹是化学能和电能之间的转换。本质上是分子原子排列顺序的改变,也没有涉及物质的多与少。所以,不论是亏电还是满电,质量都是一样的。再说,即便是电能可以转化为质量,那也是非常小的。根据质能公式,E=mc2,把能量转化为质量需要除以一个系数c2。就我们存储的一点电量,转化完也根本称不出来质量有所增加。

大家都知道三个夸克组成一个质子,然而三个夸克的质量加起来才占整个质子质量的7%,那么,剩下的93%去哪里了呢?答案是质子剩下93%的质量是有胶子这种无质量的物质提供的,也就是说,这里是胶子的能量提供的质量。这种情况下,质量和能量是等价的,但是像电能,和质量是不等价的,无法通过充放电相互转化。


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正如水坝蓄滿水时水能(势能)最大一样,电能、热能、核能的高或低,一定是某种物质的积聚或减少——可能是电子或其他粒子或暗物质的积聚或减少。核能释放后,总质量会减少,经典解释是一部分质量转变成了能量;但我确信这些所谓能量,其实是一种目前还无法观测到的物质——可能是特别的粒子,可能是暗物质。


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当然不一样。其质量之差就是释放的电能按照质量等于能量除以光速的平方计算。这个质量之差是如此之小,怕是几颗灰尘的就比它大了,普通的仪器和测量方法其误差都比它大。但从理论上推导,质量之差一定是有的。现实世界毕竟不是做物理习题,物理习题可以假设前后没有变化,从而忽略不计。但是一颗U235原子的裂变前后也是有质量差的,虽然直接测量不出来。


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任何讨论回答都是无用,因为目前学是界质量和重量混用,爱因思坦的质能方程更是荒唐大笑话,根本难以实际应用,纯粹伪科学,科学毒瘤,是老爱对全世界人的忽悠。

据黄氏宇宙新论得知,质量是物质能量与重量之比,质量m=能量L除以重量G,m=L/G,这就是黄氏质能之方程。

何为重量,在地球来说就是地球引力产生物质重量,地球对原子物质才能产生引力并有重量,而暗物质,电,磁,光,火,恒星均为电场态既宇宙第四态(独创首创),所有电场态物质只有质量引力,无重量引力,故无重量。

据黄氏质能方程计算,所有电场态物质质量m=L能量,故充电前后只是能量质量变化,重量不变。

看那些回答用爱氏质能方程推算每个都不一样,真是笑死人,就是糊涂账,忽悠大家而已。


原黄烈平


能量是物质运动转换的量度,简称“能”。能量是表征物理系统做功的本领的量度。

质量是物体所具有的一种物理属性,是物质的量的量度,它是一个正的标量。质量分为惯性质量和引力质量。自然界中的任何物质既有惯性质量又有引力质量。

个人简单理解一下,能量是表示一个动的状态。能量大,就动的能力越多,能带动其他东西动的能力就越大。质量的话,表示数量多少的一种状态。

具体到电瓶这个,细分下来就很有意思了

例如,你说的这个电池是什么原理的?化学电池的(或电解电容)还是只是通常理解的普通电容器?如果充电的过程有化学变化,从空气中吸收的东西,物质的量变多了又是另一回事。先认为它就是自己反应的,那这个东西的重量又是怎么测量呢?测的是惯性质量?还是引力质量?还是其他的什么东西?

那简单点说,我就拿一个精度很高的称来测地球对它的引力来计算出它的重量这种方法来算重量。把这个电池简化为一堆化学反应前后的物质。一般来讲我们说的化学反应,说的都是分子之间的相互作用,从充电的这个过程来看,是把能量存放在了分子与分子(也可能是某些原子)之间,需要的时候再释放出来变成另外的位置,本质上来说更细小的原子层面上是没有变化的。我们通常所说的重量,也差不多就是这一堆物质所有原子重量的总和,至于微观上它们怎么组合是不影响宏观的重量这个参数的。

从宏观来讲,化学反应吸收或释放能量,原子的数量和种类不发生变化,只是结合的方式或位置变化,通常理解为重量不发生变化。

不然化学方程式两边不平衡了呢。

个人理解,大神勿喷。


就叫老陈


蓄电池充放电时电子在正负极板之间来回移动,充放电过程中质量应该是没有变化的。


绘爱3


E=mCC不正确,刘青武做了实验,结论跟我理论一致,电场与磁场都是能量,磁场是闭合的,电场不是闭合,不会产生粒子是没有质量。E>mcc才是正确的。所以电瓶充电不会改变质量。


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