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如果把一斤盐放进一斤水 最终的结果一定是两斤么?

质量守恒

关于“一斤盐放进一斤水,最终的质量是多少”的问题,我们至少要做几个基本的假设:

在操作过程中没有任何的水和盐的散失;

整个系统是理想系统,系统与外界没有任何物质和能量的交换。

如果,基于这两点,那么最终的质量是不会变的。而原因也很简单,那就是质量守恒定律。放盐之前,是一斤水+一斤盐,而放完盐之后,本质上还是一斤水+一斤盐,所有放盐前后并没有任何质量的变化。

溶解度问题

有人可能会提到溶解度的问题,事实上,当一斤盐放入一斤水当中,只有一部分的盐溶解,在室温20℃时,大概100克水最多能溶解36克的氯化钠(食盐的主要成分),那么一斤水能溶解180克盐(1斤=500克),所以整个系统中会剩下320克盐以及680克的食盐水,结果还是1000克,也就是两斤。

如果室温是变化的

上文的讲述是基于“整个系统外界没有任何的物质和能量交换”,也就排除了室温对于系统的影响。那么室温真的会对整个系统造成影响么?

答案很显然是会的,只不过影响会乎其微。整个影响大概有多小呢?基本上是在小数点后10几位的影响。

质量和能量

很多人都有一个误区,那就是狭义相对论中的质能方程的相关理论,其实也就是大家熟悉的E=mc^2,是用在核反应中的。这个观念是对于质能方程以及核弹原理的误解。质能方程是1905年由爱因斯坦提出来,而核弹原理则要等到1938年才由几位科学家发表出来,核弹的原理要么是核聚变要么是核裂变,而非质能方程。

实际上,质能方程具有普适性的,它会出现在方方面面。那这里就涉及到了,这个理论到底说了什么?

这就又涉及到了很多人对于质能方程的误解,最常看到的描述是“质量转化为能量”。这误解了爱因斯坦的本意,他想表述的其实是质量和能量其实是一回事,是一个物质的两个面,质量里有能量,能量里有质量。(如果你对这一点有质疑,不妨翻一翻爱因斯坦当年发表的论文,或者找几本大学教材来看看就能很清楚地了解到这一点。)

为了让你更能理解这个公式的意义,我们可以来做一个比喻。如果你有一份资产,你可以让它兑换成人民币,你也可以把它兑换成美金。这里人民币就好比质量,美金就好比能量,他们之间是可以直接等价的,而汇率就是它们的等价关系。质量和能量的汇率就是c^2,所以才会有E=mc^2。

还拿上文中的核弹说事,核弹爆炸不是“质量转化为能量”,本质上是核弹爆炸损失了静止质量,这部分质量以与其等价的能量向外扩散了。如果我们把这部分能量收集起来称重,它其实也是有质量的。

那这和食盐溶解水有什么关系呢?

试想一下,如果外界温度是100度,而整个系统是20度的,如果和外界是隔离的还好,但如果是不隔离的,有能量交换的,之后室温就会影响系统的温度,使得整个系统的温度上升,也就是说,系统吸收了很多外界的能量,通过质能等价关系,我们就很容易得到这么一个结果:

外界温度大于系统温度,那么质量就上升了。

同样的道理,如果外界的温度是低于整个系统的温度,比如,外界温度是地下30度,而系统温度还是20度,那么系统其实会不断地向外辐射能量,也就是损失了能量,根据质量等价关系,我们就很容易得到这么一个结果:

外界温度小于系统温度,那么质量就下降了。

因此,这里我们要深刻理解质量和能量的关系,之所以我们平时无法理解这个观念,是因为它在宏观低速的世界中体现出来的差异极其小,毕竟有m=E/c^2,任何的能量变化都要除以一个c^2,这可是要除以9*10^16,所以体现在质量的差异常常比我们使用的仪器误差还要小的,所以,我们根本感受不到。

物理学家是很喜欢玩“统一”的,他们有个大大梦想是大一统理论,把所有的理论用一个理论统一起来。而在物理学史上能跻身其三的科学家都实现了部分统一,

牛顿统一了天上和地下的物理学规律,让我们知道天上和地下用的是一套理论;

麦克斯韦统一了“电”和“磁”,让我们知道电和磁是一回事;

爱因斯坦统一了“时间”和“空间”,让我们知道时间和空间并立起来考虑,用时空这个词来代替,同时,爱因斯坦还统一了“质量”和“能量”,让我们知道质量和能量其实是一回事。

实际上,对于质量的理解在粒子物理学标准模型又发生了一系列的变化,但这并不影响质能等价,它反倒是对于质能等价的进一步运用。

总结

最后,我们来总结一下,

如果系统和外界没有任何物质和能量的交换,那么根据质量守恒,质量不会发生改变;(溶解度问题并不会对系统前后质量造成影响。)

如果外界和系统有物质和能量的交换,如果外界的温度大于系统温度,那么系统的质量会增加。

如果外界和系统有物质和能量的交换,如果外界的温度小于系统温度,那么系统的质量会减小。

责任编辑: 王和   来源:钟铭聊科学 转载请注明作者、出处並保持完整。

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