一斤鹽溶於一斤水,最後是不是兩斤?愛因斯坦:算上能量了嗎?

2021-01-19 騰訊網

「一斤鹽溶於一斤水是否得到兩斤總重?」這問題看似簡單,實際不簡單,想要得到兩斤必須保證沒有能量變化。下面由淺入深,吹毛求疵一下,看看愛因斯坦眼中的答案是什麼。

錯覺

在溫度恆定的情況下,一斤水+一斤水=兩斤水,這沒人有疑問吧?如果有問題,肯定是秤壞了!水加水沒有問題,為何水加了一斤其他的物質就會引發議論呢?

或許是「固體」的食用鹽在水中溶解消失了,給了一些人錯覺:鹽是不是憑空消失了?那麼質量是不是減少了,不守恆了?實際上很多時候,質量確實減少了。

理想狀態下才能守恆

如果實驗是在恆溫,密閉的容器中進行的話,質量肯定守恆。例如:室溫、水與鹽都恆定在20℃,一斤鹽倒入一斤水的容器,最終就是兩斤。不過,有一半以上(約為320克)的鹽沉澱在水底,無法溶解。

溫度整個過程中沒有發生改變是必要條件!如果沒有這些條件限制,一斤水加一斤鹽大概率不等於兩斤,因為能量也需要守恆!

能量的坑

大多數人對質量比較清晰,拿在手上沉甸甸的,但是對能量就比較模糊了。我們感受到的光與熱,本質都是感受到了能量,而質量的本質就是能量。

如果你有一把「神奇無敵」大砍刀,隨便拿個東西,一分二,二分四,四分八,這麼剁下去,最後你會發現無論再怎麼分也分不下去了。因為最終都被切割成不可分割的粒子。一開始我們以為這種粒子是原子,最後在高能對撞機下,科學家發現了61種比原子更小的基礎粒子。

這些零維基礎粒子,自身並不具備任何靜態質量的。質量是不同粒子基於自身的特性與其他粒子發生相互作用產生的。比如電子帶電荷(負)與帶正電的質子(複合粒子)會出現異性相吸的情況。它們並不相接觸,就像磁鐵「隔空」會出現吸引(排斥),這種現象的紐帶是光子。

排斥現象就像湖面上有兩艘船,上面各站著一個人,面對面互相傳球,漸行漸遠。吸引是他們背對背扔迴旋鏢,於是越靠越近。光子是迴旋鏢,還是球,取決於電荷,這種相互作用叫做電磁力。

宇宙萬物的底層法則就是四種最基礎的相互作用,除了電磁力扔光子,還強力(夸克扔膠子)、引力、弱力以及賦予粒子質量的希格斯機制(希格斯玻色子)。總之,質量源於粒子之間的相互作用,即萬物本無質量,一切源於能量。

回到鹽和水的問題,如果發生溫度變化或者能量的散失,那麼質量肯定不等。例如:加鹽過程中,發現密閉容器中鹽溶解不了了,於是給鹽水適當加熱。最終,升溫的鹽水混合物質量絕對大於兩斤。因為溫度提升了,能量增加了,即質量增加了。同理,溫度下降了,質量減少了。不過這種差別非常微小,可以用愛因斯坦的質能方程計算:

利用熱量公式Q=c*m*△t 計算出增加(或減少)的能量,代入質能方程m=E/c^2得到變化的質量。由於水增加的能量很小,再除以光速的平方,得到的質量至少是小數點16位往後,這種微小的質量變化一般的電子秤,測不出來。

質能公式也預示著虧損少量質量能爆發出極大的能量,這就是原子彈威力的來源。

審題的坑

除此之外,題目也有問題。一斤鹽並無法「溶於」一斤水,因為水溫20℃時,200克水,最多能溶解36克食用鹽。即使100℃,也就39.8克。因此鹽無法完全溶於水中,那麼題中的「兩斤」指的是鹽水?還是鹽與水的固液混合物?鹽範圍很廣,沒有明確,如果不是食用鹽(氯化鈉),問題就複雜了。硝酸銨鹽溶水會降溫,有些鹽會發生升溫,能量變化會引起質量變化。

因此,能量變化會引起質量不守恆的假象,但質能必然守恆。

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