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燃燒現象 燃燒現象應該可以是說人類最早接觸到的化學現象。我們如今考古發現,距今180萬年~130萬年前,當時有個人種現在被稱為匠人,他們就已經開始使用「火」了。對於火的使用大大促進了人類社會的發展。從此,人類可以吃上熟食,要知道那些沒有煮熟的食物,無論是咀嚼還是消化都十分費力。 ... 但如果我們仔細觀測,許多燃燒現象都會出現這樣的一個現象,那就是燃燒前後,質量丟失了許多。比如,10斤的木材點燃後,最後就會只剩下一小部分的殘渣。 那為什麼會丟失這部分質量呢? 這個問題雖然看似很簡單,但實際上是有點複雜的。今天,我們就來聊一聊這個問題。 木材燃燒的化學反應 要了解這個問題,我們要先從木材說起。木材的主要成分是木質素、纖維素及半纖維素。 木材是一種複雜的有機物,從化學元素的角度來看,它的主要成分是碳,占比達到44%左右,氧占比達到42.5%左右,氫占比達到6%,剩餘的元素占比都相對較少,比如:氮、硫、氯、矽、磷。 燃燒木材的本質其實就是碳、氫、氮等物質在空氣中燃燒的化學過程。就拿碳來說,會生成一氧化碳和二氧化碳。 ... 氫燃燒生成的是水,這個過程產生的水應該是水蒸氣的形式。 ... 而氮燃燒則生成的氮氧化物,硫燃燒生成硫化物,這些都屬於對環境有害的化合物。但我們要注意的是,燃燒碳、氫、氮、硫所產生的物質其實都是氣體。 ... 也就是說,之所以我們會發現損失了大量的質量,實際上是主要的生成物是氣體,它們都到了空氣當中。其中二氧化碳和一氧化碳會加入到碳循環的當中,水蒸氣則是加入到水循環當中。 ... 如果我們有一個容器,這個容器不會和外界發生物質交換,並且容器內有充足的氧氣。我們在這個容器當中燃燒木材。但燃燒結束後,我們再對這個容器進行稱重,我們就會發現這個容器的質量「幾乎」是沒有發生變化的。因為此時的生成物都在容器內,沒有離開這個系統,即便是氣體,也是有質量的,整個過程質量「幾乎」是不變的。 這也就是說,之所以我們看到平時燃燒時,質量發生損失,這部分損失的質量主要來自於氣體生成物,二氧化碳、一氧化碳、硫化物、氮化物等。 熱量也有質量 就像上文我說到的,整個系統只是質量「幾乎」不變。實際上,如果我們的儀器精度足夠高,那就會發現,這個系統的質量並不變完全不變的,而是會微微地減小,減少的程度幾乎是在小數點後十多位才出現的。那這部分損失的質量只是系統誤差嗎? 實際上,並不是這樣的。這部分損失的質量也是可以用我們如今的理論來解釋的。這個理論就是大名鼎鼎的質能等價理論。 ... 1905年,愛因斯坦發表了狹義相對論,並且在這個理論當中統一了時間和空間。隨後,也就是在這一年,他發表了質能等價理論,在這個理論當中他提出了他的另外一個洞見,統一了質量和能量。他認為質量和能量其實是同一個東西的兩個面,質量還里有能量,能量里也還有質量,或者我們可以說質量和能量是不能被獨立開來的,有質量就會有能量,有能量就會質量。舉個例子,我們知道,原子彈爆炸,反應前後的質量會發生損失,這部分質量其實是以能量的形式釋放出來的,倘若我們把這部分能量收集起來,會發現恰好等於損失的質量。這個質量和能量的等價關係就可以用E=mc^2來表述。 而木材燃燒實際上是一個釋放能量的過程,在這個過程中會有許多的熱量產生。所以,夜晚點上篝火能取暖的原因就在這裡。 ... 按照愛因斯坦的質能等價理論,我們就知道,這部分熱量其實也就是能量,他是對應著質量的,對應關係就是:m=E/c^2。 其中m是損失的質量,E是釋放的熱量,c就是光速。因為光速c=3*10^8m/s,因此m=E/(9*10^16),也就是說,釋放出的熱量所對應的質量很小很小。所以,我們才感受不到有這部分的質量損失,但實際上這部分的質量損失是存在的。
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