18世紀以來,煤炭就是人類社會最為重要的能源之一。煤炭在我國的分布是非常廣泛的,雖然分布不均勻,但是除了上海市之外的其它省市基本上都是有煤分布的。煤的用途主要有三種分別是動力煤,煉焦煤和煤化工用煤。
也就是說煤的使用一般分為兩種,要麼直接燃燒煤,要麼就是對煤進行加工之後再燃燒,這種方式可以有效地提高煤炭的燃燒效率。
煤
現在的科學界普遍認為煤是遠古時期的植物遺骸在地層下經過一系列的轉變所形成的,首先是變成了泥炭,在變成褐碳、煙煤、無煙煤和石墨。也就是說煤的發展很可能會經歷這麼一段過程。
正是因為煤主要是由植物的屍體所構成的,所以煤中最為主要的元素是碳、氫和氧。當然還有其它的雜質包括氮和硫,當煤燃燒的時候,會有硫化物產生。
煤的燃燒
所以當我們把一塊煤進行燃燒的時候,會發生什麼化學反應呢?煤當中的碳很有可能會和氧氣生成一氧化碳或二氧化碳,氮的燃燒也很有可能會產生一氧化氮和二氧化氮,氫的燃燒可能會產生水,雜質硫的燃燒則很有可能生成二氧化硫。
從煤燃燒的化學角度來看,煤在燃燒的過程中其實形成了非常多的氣體,當然這些氣體很多都是有害氣體和溫室氣體,這也是為什麼現在人燃煤變少了,因為煤炭的使用效率與其它能源比起來更低,而且對環境的汙染更大。
煤燃燒後的剩餘物
不同條件下的煤燃燒過後所剩餘的質量可能都會不一樣,因為這很大程度上取決於其內部可燃物的多少。但是我們知道,當充分燃燒了10斤煤之後,剩下的殘渣肯定不足10斤,那麼那些丟失的質量到底去哪裡了呢?
物質守恆定理
物質守恆定理是自然界最為基本的原理之一,也就是說在一個系統當中,無論物質發生了何種過程的變化,其總質量都是保持不變的,簡單來說就是物質是不會憑空消失的,它只是從一種物質轉化成了另一種物質。
但是隨著物理科學和化學科學的進步,科學家發現高速運動的物體的質量會隨著其運動的速度而變化,實物與其場之間可以相互轉化,這時候引進了質能守恆定律,也就是質量和能量守恆定律。
根據質能關係的公式,物質是可以轉變為能量的,也就是煤在燃燒的時候是會產生一定的能量的,而且這些能量是可以轉化成質量來計算的。所以當我們計算出了剩下的煤的質量,燃燒後生成的氣體的氣體和水分的質量,那麼剩下的差值很有可能就是能量的質量。這些能量很有可能就就是我們忽視的,找不到的質量。
所以,看似非常簡單的是一個煤燃燒的過程,但是裡面卻涉及到了非常多的化學物質燃燒的反應,有的燃燒後剩餘的物質我們可以看到,有的則看不到,有的質量很好來測量,有的則不好衡量。但是連能量都是可以測量的,只是難測量而已。如果我們要自己將所有燃燒後所得的質量相加,其實是有點難為自己了。
但是只要大家堅信質能守恆定理,沒有東西會憑空消失,它們只是從一種形態轉變成另一種形態的質量罷了。
小結:
物質是不會消失的,質能守恆定理是我們這個世界最基本的自然法則之一。那麼10斤煤然後之後肯定不足十斤,剩下的部分去哪裡了呢?
實際上,物質是不會消失的,所以煤燃燒之後產生了一部分的氣體和水蒸氣進入到了大氣當中,還有很小一部分被轉化成了人類所看不到的能量。
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