大多數人認為,如果把一斤鹽溶解進一斤水裡,就能得到兩斤的鹽水。但真的是這樣嗎?關於這個問題,其實用初中化學和物理知識就能解答。
從化學的角度來看,1斤鹽溶1斤水,得不到2斤鹽水,為什麼?
在初中時,我們都學過一個詞:溶解度。它的定義是:
在一定溫度下,某固態物質在100g溶劑裡達到飽和狀態時所溶解的質量。
聽到這你可能覺得拗口,但也可以將溶劑比作人的胃,將溶質比作食物。這時候就好理解了,由於胃口有限,我們不能無限地吃東西,當我們「吃飽後」就不能再吃了。
比如水,它就不能無限地溶解鹽,到一定的量後它會停止溶解,這時候你加入再多的鹽也融不進去了。
從溶解度的官方定義中我們可以看到,它存在幾個限定條件:溫度、溶質、100g溶劑和達到飽和。
溫度在定義溶解度時為什麼要加上溫度條件的限定呢?難道,不同溫度的溶解度不同嗎?
還真是這樣!
曾有人做過前後對比試驗。首先將固體硝酸鉀不斷往水中溶解,直到有少量固體殘存不再溶解,說明在該溫度下100g的水「已經吃飽了」,不能再溶解。這時候,如果用酒精燈加熱燒杯,神奇的一幕出現了。100g的水「胃口大開」,把剩餘的硝酸鉀全部「吃了進去」。
溶質為什麼要強調溶質呢?這是因為在一種溶劑中,可以溶解多種溶質。
比如上面提到的已經飽和的硝酸鉀溶液,它雖然不能繼續溶解硝酸鉀了,但這時將氯化鈉加進去,它卻能繼續溶解。你可以將其理解為貪吃的小孩,即使在午餐過後已經吃得飽飽的了,但如果給他巧克力,他還能接著吃。
100g溶解100g其實是為了方便理解而人為定義的。通過上面的知識我們可以很好地理解,飽和的硝酸鉀溶解雖然不能繼續溶解硝酸鉀,但加入水後,剩餘的硝酸鉀固體就會消失,這就說明,改變溶劑的量,溶解溶質的量也會發生響應改變。
有人可能會疑問,為什麼定義是100g,而不是200g或者1000g?其實,無論是100g、200g還是1000g意義都是一樣的,只不過100g更加方便理解。
比如,在一定溫度下,100g水溶解10g氯化鈉就飽和了;200g水溶解20g氯化鈉就能達到飽和;1000g水溶解100g水就能達到飽和,它們的溶解度都是一樣的。
飽和這一點就很好理解。當我們想要測量自己的飯量是多少的時候,肯定要在吃飽的情況下才會知道,不吃飽當然就不知道自己飯量是多少。
那麼,1斤鹽溶解在1斤水中,就能得到2斤的鹽水嗎?
答案是否定的。
通過上文對溶解度的了解我們知道,鹽在水中存在一個溶解度。這就說明1斤鹽可能完全溶解在了水中,也可能未完全溶解在水中,而這一切都要以鹽的溶解度為標準。
鹽在水中溶解度是多少呢?鹽在水中的溶解度是36g/100g,這就意味著一斤水最多能溶解0.36斤的鹽,如果再往裡面加鹽,它也溶不進去了。而此時,得到的鹽水總重1.36斤,而非2斤。
從物理的角度來看,1斤鹽溶1斤水,總重也不是2斤,為什麼?
那麼可能有人要問,既然1斤鹽1斤水只能得到半斤鹽水,那麼再把剩下的半斤鹽加上,總該有2斤了吧。但事實並非如此!
質能方程1905年,有4篇論文足以被載入史冊,而且它們的發表人都是同一個人——愛因斯坦。其中,第三篇《論運動物體的電動力學》中提到了大家耳熟能詳的狹義相對論。
第三篇論文發表後,沒過多久,愛因斯坦緊接著又發表了一篇論文《土體的慣性同它所含的能量有關嗎?》。這篇論文是對狹義相對論的補充,同時也提出了如今的質能方程式,既:E=mc^2,闡述了質量與能量的關係。
但在20世紀之前,以牛頓為首的科學家普遍存在一個看法:質量與能量沒有關係,它們是兩個單獨的、毫不相關的量,無論其中一個怎麼變化,也不會影響另外一個。
牛頓的《自然哲學的數學原理》就給質量下過一個定義:
物質的量是起源於同一物質密度和大小聯合起來的一種量度。
從這個定義中我們可以看出,質量與能量打不著八竿子的關係。
除此之外,牛頓還認為時間、空間和運動狀態這三者之間沒有關係。用大白話說,無論你是用光速跑還是龜速跑,對你的站在地上不動的小夥伴而言,你的一米一秒和他的一米一秒都是一樣的。
但很快,愛因斯坦就將這種想法顛覆了。他說:牛頓你這種想法是不對的,如果用光速飛行,你感受到的時間和空間和地上的小夥伴是不同的。於是,愛因斯坦同一了時間和空間。
後來,他又想,時間和空間存在關係,那麼質量與能量之間也存在關係嗎?於是愛因斯坦就提出了大名鼎鼎的質能方程式:
E=mc^2
這個公式是什麼意思呢?我們先來看一個例子。
如果將核彈放在絕熱和密閉的箱子中,這意味著核彈爆炸後不會有任何的能量損失。這時將核彈連同箱子放在稱上稱,得到一個示數。將它引爆後,再放到稱上稱,又得到一個示數。已經對比機會發現,兩次稱得的示數都是相同的。
按理來說,核爆之後,它的一部分質量會以能量的形式消滅,但結果卻表明,質量和能量可以相互轉化,它們是同一樣東西,可以將其理解為一體兩面。
那麼,怎麼用質量與能量的關係來看待鹽水的重量?同樣的,如果將鹽水置於密閉、絕熱的燒杯中,無論將它放置在哪,它的重量都不會發生變化。
但是,如果只是普通的開口燒杯,加入環境的溫度是30℃,而燒杯中鹽水混合物的溫度是20℃。那麼,環境的溫度會影響鹽水的溫度,鹽水會吸收能量使得溫度和環境達到平衡。按照前面能量和質量一體兩面的說法,鹽水就相當於從環境中吸收了一部分「質量」,如果用特別精細的稱去稱,它的質量絕對大於2斤。
反過來,如果環境溫度低於鹽水溫度,鹽水就會釋放一部分能量來和環境達到溫度平衡。也就是說,鹽水的一部分質量跑到了環境中,這時候它的質量絕對小於2斤。
最後
無論是愛因斯坦的時空觀還是質能觀,確實顛覆了大眾的認識。但是,真實的世界就是如此,宇宙的規則只有超出我們的想像,這才「合乎常理」!
就像普朗克發現量子時,他曾一度懷疑自己的判斷出現了問題。但隨著時間的流逝,他才發現,自己並沒有錯!
科學的世界總是那麼令人著迷,它們接近世界的本質,看著高大上不可以言說,但走進去才會發現它們如此地貼近生活。
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