網友問:根據質能方程,能量可以用千克來計量嗎?

2021-01-07 艾伯史密斯

一般情況下能量不能稱斤按兩來計量,但是我們可以藉助相對論的質能方程,把能量等價轉化為質量。

質能方程

愛因斯坦提出著名的質能方程,該方程描述質量和能量是統一的,或者說質量是能量的表象之一,利用質能方程,無論能量以什麼形式存在,都將對應一個質量,對於1斤(500克)的質量,按照質量方程計算出來的能量為:

E=mc^2=0.5*(3*10^8)^2≈4.5*10^16J

相當於125億度的電能,目前全世界每年的總耗電量約為25萬億度,那麼125億度只夠全世界使用大約4小時。

質能轉化

既然質能和能量可以相互轉化,為何我們不把物質轉化為能量來解決能源危機呢?

原因在於質能轉化非常困難,人類目前只掌握了可控的核裂變技術(核電廠),而核裂變的質能轉化率非常低,而且要使用特殊的裂變材料,還會產生致命的核輻射。

目前有望突破的能量技術是可控核聚變,核聚變的質能轉化率比核裂變高很多,而且聚變材料在地球上非常豐富,一升海水中的氘聚變,相當於300升汽油燃燒的能量。

正反物質湮沒

在物理學中,有一類極為特殊的物質——反物質,反物質是正常物質的反狀態,正反物質所帶電荷相反、自旋方向相反、磁矩方向相反,但是數值大小相等。

所有物質都有對應的反物質,比如電子—正電子,質子—反質子,氫原子—反氫原子,其中光子的反物質就是它本身。

正反物質接觸時,會以質能方程100%地湮滅為能量,由於能量本身不是獨立實體,所以能量會以光子、中微子等物質作為載體釋放出來。

或許在未來,人類掌握了可控正反物質湮滅的技術,那麼能量就可以近似用質量代替——「朋友,我的飛船沒能源了, 能否借5公斤的能源給我」。

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  • 根據質能方程,物質能從純能量中產生嗎?
    從愛因斯坦的狹義相對論中,可以推導出著名的質能方程:E=mc^2其中E為能量,m為質量,c為真空中的光速(299792458米/秒)。從中我們知道,任何物質都蘊含著巨大的能量。通過計算可知,只要大約1.1噸的物質完全轉化為能量,就相當於全人類目前一年所消耗的能量。原子彈、氫彈、恆星以及正反物質湮滅都是利用了質量轉變為能量的原理,所以這些過程才會產生巨大的能量,例如,之所以太陽每秒能夠產生3.8×10^26焦耳的能量,是因為每秒有大約426噸的氫原子核轉變為能量。既然質量能夠轉變成能量,那麼,能量反過來能否產生質量呢?
  • 基於量子物理,「千克」概念被重新定義 - 常量,方程,能量,普朗克...
    新浪科技訊北京時間5月22日消息,「千克」的概念肯定我們每個人都不會覺得陌生。但是你知道它是怎麼定義的嗎?在過去的大約130年間,國際上對於「千克」定義的標準,都是以國際千克原器「大K」的質量來作為原型參照的。
  • 根據愛因斯坦的質能方程,1公斤杯子和1公斤白菜蘊含能量一樣嗎?
    準確地說,任何1千克靜止質量的物體,100%轉化為能量都是相等的。但是要把普通物質轉化為能量非常難,目前人類能做到的就是核聚變與核裂變,其中核聚變反應發生的質量虧損率約為0.7%;理論上能達到100%質能轉化的,只有正反物質湮滅。
  • 依據質能方程可以將質量轉化為能量,能否用能量生成1g的質量呢?
    但是,反過來,我們卻看不到由能量生成物質的案例,這是為什麼呢?質能方程的提出要解釋上面的問題,我們還得從質能方程談起。質能方程大家再熟悉不過了,它是由愛因斯坦在提出狹義相對論時,所推導出來的一個結論。質能方程的含義根據簡化後的質能方程,人們很容易聯想到既然這個等式存在,那麼有多少質量就可以轉化為多少能量,有多少能量也可以轉化為多少質量,其實這麼理解是不準確的。
  • 按照質能方程,一根粉筆釋放的能量,能夠蒸發全部海洋嗎?
    1905年愛因斯坦在他的《論動體的電動力學》發表後沒多久,就接著發表了一篇簡短的論文,討論物體慣性和能量的關係,而這篇簡短的論文提出了後來大名鼎鼎的質能方程——E=mc²由於真空光速大約為每秒30萬公裡,也就是3*10的八次方米每秒,因此在質能方程中,一點微小的質量與光速平方的乘積都是一個可觀甚至龐大的數值,因此我們常說愛因斯坦的質能方程告訴我們,微小的質量也包含著龐大的能量。一個非常恰當的例子就是人類研製的核武器,比如原子彈、氫彈,巨大的威力正是質能方程的體現。
  • 根據愛因斯坦質能方程E=MC2的思考
    根據E=mc^2,可以算出,1克氫原子聚變後長生的能量就相當於燃燒2.7*10^6千克煤所放出的能量。或許這裡你會問,質量虧損不滿足質量守恆。但是質量守恆說成質能守恆更好些。根據愛因斯坦狹義相對論,物體的實際質量=靜質量+動能對應的質量。
  • 質能方程揭示質量可轉化為巨大能量,那麼能量可以轉化為質量嗎?
    愛因斯坦的質能方程揭示了物質質量與能量的等效關係,讓讓們知道了質量中蘊含著巨大的能量。著名的質能方程表達式為:E=MC^其中E為能量,單位為焦耳(J);M為質量,單位千克(kg);C為光速,取值約300000000米/秒(m/s)。
  • 原子彈威力那麼大,愛因斯坦後悔發現E=mc質能方程了嗎?
    氫彈的威力有目共睹,比如全世界威力最大的氫彈是當量5800萬噸,它的總質量達到了27噸,不過真正轉換為能量的質量不過2.9千克而已,當然氫彈爆炸的能量完美遵循了質能方程,愛因斯坦將這個不應該被人類掌握的能量從魔鬼的手中釋放了出來,他會有一絲後悔的想法嗎?質能方程是怎麼來的?
  • 根據質能方程,是否一支粉筆,就有能供人們喝100年開水的能量?
    從能量方面來看,按照狹義相對論以及質能方程的推導過程,物體在靜止狀態時,其能量也不為0,它是物體所含有的總內能之和,主要包括分子運動動能、分子作用勢能、原子結合化學能、電磁能、結合能等等,這部分能量稱為物體的靜能。而物體處於運動狀態時,它所包含的能量則為物體的靜能與物體運動的動能之和。
  • 網友問:愛因斯坦的質能方程,是怎麼推導出來的?
    利用洛倫茲變換,很容易推導出質能方程。質能方程是愛因斯坦,在1905年發表的論文《物體慣性時候決定其內能?》中提出來的,描述了物質的質量和能量之間的關係。利用相對論質增關係,然後結合動量定理和動能定理,就可以推導出質能方程。相對論動能E=mc^2-m0c^2=Δmc^2,其中Δm=m-m0。描述:一個物體包含的總能量,可以分為相對論質增效應的能量,和一個固有能量m0c^2。
  • 沒有愛因斯坦的質能方程,就造不出原子彈嗎?
    而提到愛因斯坦,則不能忽略他的質能公式,這個被譽為世界十大經典公式之一的質能公式,很多人說它的副產品就是原子彈。那麼沒有質能公式,就造不出原子彈嗎?其實質能公式是無法造出原子彈的,質能公式只是給原子彈製造提供了一個理論依據。接下來我們來聊聊原子彈的發展史。
  • 電量可以換算成質量?以相對論質能方程為您揭開神秘面紗
    通常情況下,我們形容一種物質會以質量作為衡量標準,比如說重量,密度等等,但是電量是否也可作質量單位來衡量呢?現在小庫以相對論質能方程為您詳細說明。相對論質能方程在牛頓提出的經典力學中,質量與能量是兩個完全不同的概念,在19世界已經無法滿足社會發展需求,根據前人提出的對自然科學新的探索,愛因斯坦提出了相對論,並在狹義相對論中通過質能方程E=mc,質量與能量確定了當量關係,即以物理角度通過光速將質量換算為能量。
  • 一口氣搞懂質能方程
    他會說,根據愛因斯坦的質能方程:那這個說法對還是不對呢?我們直接給出解釋:並不對。如果非要評選一個人類史上最著名的公式,這個質能方程很有可能是第一名,實在太好記了。但如果要評選一個人類史上誤會最深的公式,那質能方程應該可以穩居第一名。
  • 質能方程描述質量和能量是等價的,那麼能量可以轉化為物質嗎?
    狹義上理解,能量和物質是分開的,兩者可以相互轉化,比如兩個高能光子相碰,就有可能產生正負電子對;廣義上理解,能量和物質則是統一的。在核聚變與核裂變中,質量發生虧損,然後釋放巨大的能量,這也是氫彈與原子彈的爆炸原理,理論上說相反過程的反應也是可以進行的,但是難度非常大。愛因斯坦的狹義相對論描述到,質量和能量可以相互轉化,也就是大名鼎鼎的質能方程,微小的質量可以轉化為巨大的能量,比如在廣島原子彈中,質量虧損還不到1克。
  • 物理學史上最著名的方程——質能方程
    什麼是質能方程?1905年,愛因斯坦在深入研究物體慣性和它自身能量的關係之後,提出了物理學史上最著名的方程——質能方程,即E=mc2。這個方程式出名到什麼程度呢?質能方程表述為物質的能量(E)等於物質的質量(m)和光速平方(c2)的乘積。E=mc2也許是你見過的最簡單的公式之一,但是它的意義卻大到可以用「開創性」來形容。
  • 愛因斯坦質能方程的三大意義,第三個創造了整個宇宙!
    但是根據狹義相對論,質量根本不是最終的守恆量,因為不同的觀察者對於系統的能量有不同的看法。下面,就來看一下愛因斯坦從狹義相對論中推導出的最著名方程——質能方程:E=mc^2這個方程由三部分組成,(1)E是能量,位於方程的一邊,表示系統的總能量;(2)m是質量,與能量存在聯繫;(3)c^2是光速的平方,使能量和質量等價的換算因子。
  • 1千克和1米是如何定義的?淺談計量標準的變化
    在秦朝統一之前,我國古代有著多種計量標準。秦滅六國之後,秦始皇意識到統一計量標準的重要性,於是便開始設置一些標準的度量。1973年出土的「秦權」就是當時度量質量的國家標準。在早期歐洲,人們使用身體的某個部位來定義計量單位。例如他們的英尺是採用腳的長度來進行定義的,我們可以看到英尺(foot)的英文和腳的英文是一樣的。
  • 用愛因斯坦的質能方程計算,500克的電能等於多少千瓦時的電能?
    最近在網上看到了一個十分有趣的問題:「一斤電可以供全球用多久」?首先,電是不能用斤這樣的單位來描述的,因為電作為能量是沒有質量的,我們只能用愛因斯坦的質能方程計算,能量和物質之間的等價關係。那麼一公斤電等於多少度電呢?想要解答這個問題,需要用到愛因斯坦的狹義相對論中給出的「質能方程」E=mc^2,這個對人類世界觀產生了重大影響的公式。
  • 等效性原理、光速不變原理的應用:用動能定理推導質能方程
    質能方程是相對論的一個重要推論, 闡明了質量與能量的關係。這裡先直接給出質能方程:E=mc。其中, E是能量 單位是焦耳(J) m是質量 單位是千克(Kg) c是光速c=299792458m/s在相對論中,動能定理依然成立,但動能的形式將不同。靜止質量為m。
  • 1個原子轉化為能量功率有多大,能推動電瓶車跑多遠?
    這是網友邀答,原題為:一個原子完全轉換成能量能讓一輛電瓶車跑多遠?先說結論:能跑0m。如果這個電瓶車是分子級別的,我就不這麼說了。但這個問題似乎並沒有特別說明電瓶車有多大,因此可以基本上認為就是人們常用的代步電動自行車了。