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如果把一斤鹽放進一斤水,最終的結果一定是兩斤么?答案出人意料

1斤鹽無法溶於一斤水

實際上,水確實是很不錯的溶解劑,但並不是說水可以無限地溶解鹽,凡事都有一個度,水溶解鹽也是這個道理。在20℃的情況下,100克的水(H2O)里最多可以溶解36克的食鹽(NaCl),而我們知道一斤水其實是500克,因此滿打滿算,也就只能溶解180克的食鹽,連半斤都不到。

如果我們非要往一斤水裡倒入一斤鹽,那麼多餘的鹽會以結晶的形式存在,這就是因為溶液已經處於飽和狀態所導致的。

質量守恆

如果這個時候我們稱量整個系統的質量,大致上就會是2斤。其實原因也很簡單,整個過程並沒有任何的質量損失,也就是符合質量守恆定律。不僅如此,整個過程其實並沒有涉及到化學變化,僅僅是物理變化過程。當然,即使存在化學變化,化學變化前後其實也是符合質量守恆定律的。

但是我們從微觀的視角去看,實際上,整個過程的原子數並沒有發生什麼大的變化,都是以原子為基本單位的變化,並沒有涉及到原子核層面的變化。因此,並不會損失質量。

變數對於系統的影響

不過,如果我們非要細究這個問題,大概率我們做這個實驗的時候,整個系統的質量要麼升高一點點,要麼降低一點點。(這裡的一點點指的是小數點後16位開外的變化。)那為什麼會這樣呢?

實際上,我們都知道做實驗時要控制變數。

而在食鹽溶解於水的這個過程中,有個變數幾乎是不可控的。這個變數就是外界溫度和系統的溫度差異。從微觀的角度來看,溫度的本質其實分子的運動的劇烈程度。分子的平均動能越高,溫度就越高,反之,分子的平均動能越低,溫度就越低。

如果外界和系統存在溫度差,那有可能出現熱傳遞。說白了就是,如果時間給得足夠長,那系統的溫度就會和外界的溫度拉平。

當然,有一種可能性就是整個系統是完全絕熱的,不會跟外界有任何能量形式的交換。還有一種情況就是系統沒辦法完全絕熱,會與外界進行能量的交換。那如果最終系統的溫度真的受到外界的影響,溫度略微升高或者略微降低又會如何呢?

質能等價

話說在1905年,愛因斯坦提出了四篇劃時代的論文,其中後兩篇後來被我們稱為狹義相對論。而最後一篇的內容主要就是質能等價。

那什麼是質能等價呢?其實這個理論當中有一個科學界最具名氣的公式:E=mc^2。看到這個公式時,很多人的第一反應就是它和原子彈的關係。實際上,它其實並不是造原子彈的原理,原子彈的原理其實是核裂變,氫彈則是核聚變,這個原理的提出要比質能等價晚了30多年。而質能方程E=mc^2其實是具有普世意義的,不僅僅局限在原子彈的研發中。

不僅如此,我們常看到很多科普文章提到原子彈時都會說:質量轉化為能量。實際上,這也是對質能等價的誤讀。如果我們現在翻看愛因斯坦當年的論文,或者隨便找幾本大學物理學教材,就會發現論文和書里壓根不是這麼說的。那準確的說法是什麼呢?

準確的說其實是,質量和能量其實是一回事,是一個東西的兩個面,質量里有能量,能量里有質量。這裡可能並不太好理解。我常用一個物理學大栗博司舉的例子,這個例子是這樣的,假設你有一筆錢,你可以把它全換成美元,當然,你也可以把它全換成人民幣,你還可以一部分換成美元,一部分換成人民幣。我們可以把這裡的美元看成能量,而人民幣可以看成是質量,匯率其實就是c^2,因此,就可以有E=mc^2,因此,人民幣可以和美元兌換,但是並不影響你這筆錢的多少。

因此,原子彈之所以威力這麼大,其實是原子彈損失的一部分的質量,這部分質量以能量的形式釋放了出來。那這和鹽溶解於水有什麼關係呢?

我們剛才也提到,如果系統和外界有能量交換,這時候系統溫度就會發生變化。要麼高了,要麼低了,本質上就是系統的總能量高了,要麼低了。而根據上文解釋的,能量和質量是一個東西,因此,能量變了,質量其實也就變了。

那為什麼我們測不出來這個變化呢?

其實原因很簡單,就是因為變化實在太小了,如果我們把質能方程進行移項,就會得到m=E/c^2,而c^2=9*10^16,多大的能量除以這麼一個數都會極其小,這個變化的量比我們用來測量質量的儀器的誤差還要小得多,我們又如何測得出來呢?

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