一斤水溶一斤鹽,最後重量是二斤嗎?為什麼?

一斤鹽溶解於1斤水,重量到底變不變,其實可以很簡單,那就是重量不變,因為質量守恆。其實也可以很複雜,把各種干擾因素都考慮進來。為什麼這麼說呢?

一斤水溶一斤鹽,最後重量是二斤嗎?為什麼?

我們如果真的去做這個實驗,真的把一斤鹽溶於一斤水,首先會遇到的問題是,鹽的溶解度存在,一斤水只能溶解一部分的鹽,其餘的鹽並不能溶解。(比如,在溫度為20攝氏度時,食鹽的主要成分氯化鈉36g可以完全溶解於100g 水中。)

一斤水溶一斤鹽,最後重量是二斤嗎?為什麼?

其次,如果我們去稱量結果,假設測量設備足夠理想,可以測到微乎其微的變化,那測出來的結果一定不是2斤。這是因為外界的溫度,溼度等因素都會影響到重量的測量。

一斤水溶一斤鹽,最後重量是二斤嗎?為什麼?

質能等價

不過要完全搞清楚這個問題,我們需要引入一個物理理論,這個理論叫做質能等價,聽起來很陌生,但是你對它卻十分熟悉。如果要問在物理學領域最有名的公式,那一定就是質能方程E=mc^2。(在這裡E是指能量,m是指質量。)

一斤水溶一斤鹽,最後重量是二斤嗎?為什麼?

很多人喜歡把這個方程用在核彈爆炸前後的解釋,似乎質能方程就是核彈製造原理一樣。但事實上,這樣說是不準確的。準確來說,原子彈的原理是核裂變,氫彈的原理這是核聚變。質能方程只是可以計算出核彈的爆炸威力。

一斤水溶一斤鹽,最後重量是二斤嗎?為什麼?

關於這方面的解釋,很多人一般是這麼認為的:核彈爆炸前後,有質量減少,質量轉化為了能量釋放出來。但這裡要說,這個觀念是有問題的。

實際上,質能方程是描述等價關係,而不是轉化關係。科學家是很喜歡統一的,愛因斯坦利用質能方程來統一質量和能量。質能等價描述的是質量和能量其實是一個東西,質量裡還有能量,能量裡還有質量。所以,核彈釋放出來的那部分能量,如果你有一個理想的儀器把它們收集起來,然後稱量一下,你就會發現,它應該恰好等於反應前後損失的質量。也因此,質量守恆是正確的,能量守恆也是正確的,才使得質能守恆是對的。一個系統應該同時遵守這三個守恆。

封閉系統

知道了質能方程,我們再來看看這個問題。假設我們有個理想的實驗條件,把水倒入到食鹽當中,並且可以確保整個過程中,整個系統不和外界有任何的物質交換和能量交換。這就意味著整個過程沒有任何的質量損失,因此,最後的結果就是兩斤。這裡要多強調一句,這裡指的是在一個封閉系統當中做實驗,才能確保前後質量完全沒有發生變化,其中也包括溶解過程中可能放出的熱不擴散到系統外。

一斤水溶一斤鹽,最後重量是二斤嗎?為什麼?

非封閉系統

但是,一般情況下,我們所遇到的並非是封閉的系統的,或者我們應該說做不到是封閉系統的實驗條件。這時候,系統就很容易受到外界的因素的干擾。我們舉個例子,如果我們的實驗條件其他條件都一致的情況下,你在室溫是15度的環境下做實驗,和在室溫是40度的環境下做實驗,那最終測到的結果是不同的。這是因為溫度對於系統的影響很大,熱傳遞會使得系統的質量發生變化,也會提升或者降低水汽蒸發的速率。

一斤水溶一斤鹽,最後重量是二斤嗎?為什麼?

在15度的環境中,水溫(假設水溫20度)高於室溫,會散熱,但同時水汽蒸發也慢;在40度的環境中,水溫低於室溫,那水就會向外界吸收熱量,但同時水汽蒸發的速度也要比15度的情況。就像上文所說的,質量和能量是一個東西,因此我們很難測算兩者到底誰大誰小。不過,大概率會是40度的質量更小一些,這是因為吸熱的能量所對應的質量應該要遠比蒸發的量。

一斤水溶一斤鹽,最後重量是二斤嗎?為什麼?

總結

根據質量守恆定律,在理想條件下(也就是不考慮外界干擾因素的情況下),1斤水溶1斤鹽的結果就是2斤,說白了就是1+1=2。

根據質能等價,我們知道質量和能量是一個東西,質量裡有能量,能力還有質量。因此,整個系統和外界只要有物質、能量的交換,質能就會發生變化。在實際條件下,干擾系統的因素太多,這些因素都會使得系統和外界發生物質和能量的交換,因此,1斤水溶1斤鹽的結果是很難確定的,可能高於2斤,也可能低於2斤,這完全與外界干擾因素對於系統的影響。


分享到:


相關文章: