物质是怎么消失的?比如一吨的木头烧成灰的过程,那些重量是怎么消失的?

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物质是怎么消失的?比如一吨的木头烧成灰的过程,那些重量是怎么消失的?

一吨木头烧成炭还是不少的,但如果任其烧尽那么就只剩下一小堆灰烬,剩下的物质就不多了,而煤炭的状况也类似,热值高的煤炭灰分比例比较低,热值低的煤炭灰分比较高,灰分从10%-40%甚至更高。那么问题来了,剩下的那些物质去哪了呢?

木材的燃烧过程

木材燃烧是一个司空见惯的过程,但要说其过程可能大家都有点糊涂,要说清楚过程,必须先来了解下木材的成分,因为燃烧就是一个剧烈的化学反应过程,木材的成分与之关系非常大!

高度放大的木材图像,显示纤维素纤维纠

木材的主要成分是纤维素,它是一种多糖,是植物细胞壁的主要结构成分,与半纤维素和果胶以及木质素结合在一起,构成了不同品质的木材,人体肠道内不含纤维素酶,因此即使人吃了木头也不能消化,但很多以木材为食的白蚁或者蛀虫有,所以它们能以木材为食!但无论这些纤维素或者半纤维素与果胶比例有多少差别,最终都是有碳氢氧元素组成三者比例为:

  • 碳约占44%
  • 氢约占6%
  • 氧约42.5%
  • 0.5%以下氮
  • 1%以下矿物质灰分

燃烧过程:木材在受热时将会产生裂解反应,200℃主要生成形式是二氧化碳和水蒸气以及甲酸乙酸以及各种易燃气体,在200~280℃产生少量水汽及一氧化碳,在280~500℃,产生可燃蒸气及颗粒;在500℃以上则主要是碳。

碳完全燃烧时生成二氧化碳,不完全燃烧时则生成一氧化碳,木材在燃烧过程中会内焰因氧气不充分生成一氧化碳,等气体跑到外焰时将会参与燃烧!二氧化碳和一氧化碳和水蒸气将通过燃烧过程排入大气,其他不可燃烧的矿物质等将遗留形成灰烬!

木材中的灰分比例大都不超过1%,草料类的灰分比稍高大约2%左右!一吨木材燃烧大约只留下10千克灰分,当然还有飞灰在燃烧过程中飘走了!

化学法应中的质量守恒

木材燃烧是化学变化过程,所有物质前后并不会发生改变,仅有的只是它们之前不同元素的组合方式发生了改变,而且在这个过程中氧气参与进来了,因此木材燃烧总的质量是增加的,但氧气加入后的燃烧反应生成大量二氧化碳和一氧化碳等这些气体,随风就不见了,留下一堆灰烬,给我们的感觉就是木材燃烧之后有质量不见了!其实在一个封闭系统中燃烧,质量前后是不会变化的,这就是化学反应中的质量守恒。

曾经历史上出现过的燃素说并不是这样认为,因为大家都发现可燃物燃烧之后都变轻了,所以认为可燃物因为含有燃素,燃烧过程释放了燃素所以质量变轻了!但拉瓦锡在镁的燃烧过程中发现,燃烧后的氧化镁质量不减反增,所以燃素说就此破产了!

化学反应质量守恒就是由此发展演化出来的。

质量发生改变的燃烧

时间进入二十世纪初,爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》的第二天接着发表了《物体的惯性和它所含的能量有关吗?》,前后两篇论文构成狭义相对论的核心,而后者则是著名的质能等价方程!

很多朋友以质能方程是爱因斯坦发现为由,认为他在原子弹和氢弹上做出决定性的贡献,但其实爱因斯坦和核弹只有半毛钱关系!不过质能等价方程完全可以计算裂变和聚变过程中产生的质量亏损,以及过程中所释放出的巨大能量!

当然上述过程指的是原子核内部的过程,但其实请不要忽略的一个结果就是,所有在有能量发生的过程都将伴随着质量变化,即便它是一个化学过程,只是化学反应产生的这点质量变化实在是太可怜了,甚至没有任何一个天平可以称出来你家今年冬天取暖烧掉的煤有多少质量亏损,但却已经可以让你冬天在家里光着膀子横着走了!

比如100吨煤燃烧产生的质量亏损:

1千克标准煤:29260000焦耳

100吨为:2926000000000焦耳

那么质量亏损为:0.00325克

估计得找个很精确的天平才能测得100吨煤烧掉后的质量亏损。

所以这个质量损失可以忽略不计,化学反应前后质量守恒也只有吹毛求疵的时候,或者跟人家撕逼的时候拿出来显摆一下,实际操作是不可想象的。


星辰大海路上的种花家


我们从小就学到质量守恒定律、能量守恒定律甚至是质能守恒定律。可以说,守恒定律从诞生之日一直持续至今,都是十分坚实的物理学理论,当牛顿的三大力学定律和万有引力定律在大尺度下和小尺度下都产生了巨大误差时,守恒律依旧坚如磐石;

当然,波尔对“实验中丢失的一小部分质量”产生疑惑,甚至一度想要否定能量守恒时,实验(发现中微子)最终还是捍卫了守恒律。

如果守恒律是确实成立的,就会有一些人在思考一些问题,比如,燃烧过程中,燃烧过后,留下来的质量似乎都比反应之前要少得多,那这部分损失“质量”到底哪去了?

这个问题看似很简单,实际上并不简单,这里就涉及很多问题,比如燃烧反应以及爱因斯坦的质能等价。我们今天就来聊一聊这个问题。

燃烧反应

我们就拿“燃烧木头”来举例子。要搞清楚木头的燃烧反应,我们其实就应该先搞清楚木头的主要程度到底是什么?

木材中的主要成分是木质素、纤维素及半纤维素,这里指的是干燥的木材。纤维素是一种由葡萄糖衍生而来的结晶聚合物,大概占据总物质的41%~43%。

如果我们从元素的角度来看,构成木材的主要成分是碳,氢,氧。具体的占比是:

  • 碳大概占44%
  • 氢大概占6%
  • 氧大概占42.5%

剩余的,还有大概0.5%的氮元素,以及不到1%的其他元素。我们从木材的成分来看,木材的燃烧主要就是碳燃烧。

通过初中的化学课,我们也知道,碳燃烧的结果是生成二氧化碳或者一氧化碳,这取决于是不是在充分燃烧。

我们要注意的是,燃烧的过程实际上是有氧气的介入,也就是说,有其他的反应物加入了反应,整个系统的质量理应增加的,增加的部分就是“参加氧气的质量”。

但当我们称量时,只能称量燃烧后剩余的物质,这些并不是所有的生成物,在众多生成物中,最主要的部分以二氧化碳和一氧化碳的气态形式飘走了,进入到了地球的碳循环当中,成为碳循环的一部分。

我们无法用肉眼看到这部分,更无法拿天平对这部分称重,所以,这才会让很多人觉得整个燃烧过程中少了“质量”。实际上,丢失的绝大部分“质量”,几乎99.99999999%以上的质量都是以气体的形式离开了系统。

假设,我们拥有一个封闭的系统,确保了系统内有足够氧气,而且生成的二氧化碳和一氧化碳无法从这个系统中出去,那系统在反应后再进行称量得到的结果是什么呢?

实际上,最终的称量结果还是“丢失了一部分的质量”,这里要补充一句,这里指的是秤的精度能够达到理想状态,在小数点后16位开外还能测得准。那丢失的“质量”哪去了?

质能等价

二氧化碳的燃烧,本质上是一个放热反应。这部分热最终会以能量的形式丢失掉。那这部分能量和丢失的质量到底是什么关系呢?

实际上,它们就是一回事,我们可以用爱因斯坦的质能方程E=mc^2把它们之间的关系表述出来。质能方程实际上是爱因斯坦在1905年,发表的4篇论文中的其中一篇,叫做

《质能等价》的论文推导出来的方程。

在这篇论文中,爱因斯坦统一了质量和能量,他认为质量和能量是一回事,是一个物体的两个属性,质量里还有能量,能量里也还有质量。所以,木材燃烧的过程中,跑掉的能量,实际上对应着质量,通过质能方程的移项,我们就可以得到m=E/c^2,也就是说对应E/c^2的质量丢失,其中c=3*10^8m/s,所以,这个丢失的质量是极其小的,在小数点后十多位开外,很难能够测得出来,但并不是不存在这部分质量的丢失。

所以,通过木材的燃烧反应,我们最起码要搞清楚守恒律到底是什么?

实际上,质量和能量是一个东西,那么反应前后的质量是守恒的,能量也是守恒的,也因此质能是守恒的,质量和能量是等价关系,而不是质量和能量是转化关系。


钟铭聊科学


物质没有减少。把木柴点燃,直到烧成灰烬,木柴的质量看似减少了,但其实组成木柴的各种元素一点儿也没有变少,它们只是换了一种存在方式罢了。燃烧属于化学反应(游离基的连锁反应),反应前后的质量是相等的,就是说组成木柴的所有原子都还存在,没多也没少。经过燃烧,它们与其他原子(主要是氧)组成了新的化合物。

木头燃烧后减发生了什么变化

第一步:炭化脱水。木头中含有很多水分,遇热开始燃烧前,它内部的水分会先被高温气化,逸散出来。完全脱水的木头就是木炭了。第二部:燃烧,炭的氧化反应。在这一过程中,碳与氧发生反应,释放大量热能并生成二氧化碳气体。

碳元素全部被氧化后(理想状态,实际不可能,),反应停止,火焰熄灭。

你看,木头先是损失水份,减小了约一半的重量(木炭比木头轻许多);接着再损失掉大部分碳元素;然后还有很多成分变成微小的凝胶状颗粒飘走,也就是冒烟。燃烧后的木头看似减重了,其实是水和碳变成了水蒸气和二氧化碳,跑到大气中去了。

灰烬是什么

植物生长不只需要水分,还需要土壤中的各种无机盐。主要有磷、钾、钙、镁、锌、铁、锰、铜、硼、钼……多了去了。它们平时分布在植物体内,经过燃烧反应与氧结合后也不会变成气体飘走,而是留在原地,成为一摊灰烬。是好肥料哟。

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在回答这个问题之前,我们首先要搞清楚什么是物质。物质的物理定义是物质为构成宇宙间一切物体的实物和场;哲学上是这么说的:物质指不依赖于人们的意识而存在,又能为人们的意识所反映的客观实在。中学物理上有这么一句话:物质既不能被创造,也不能被消灭,只能在一定的条件下从一种形态转化为另一种形态;所以结合现在的研究及理论知识,物质是不会消失的,是个真命题!

那么1吨木头燃烧后剩下100公斤灰,900公斤的物质去哪里了呢?其实也很好理解,只要你明白了这句话的含义:物质只能在一定的条件下从一种状态转化为另一种状态,这就可以解释那900公斤的木头去了哪里,在燃烧的条件下,900公斤的木头转换成了能量,并没有凭空消失,粗俗的可以这样理解,冬天寒冷的屋内,燃烧1吨木头后,屋内的温度明显上升,屋内上升的温度就是木头的一种转化,物理学中的质能公式:E=mc2,可以科学的解释质量和能量之间的转换。

当然了可能你会说能量是什么,能量是物质吗?那屋内的温度降低下来,是不是表示物质消失了呢?要想解释这一点首先要明白能量是什么,能量是物质的一种表现形式,同样能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其它物体,而能量的总量保持不变。根据能量守恒定律可以这样理解,木头燃烧后转换成热能,热能可以加快空气中分子的运动,也即热能会转换成分子的动能,也许写到这你可能就要问我了,分子运动是不是最后还是会恢复原状,那分子动能又哪里去了呢?

这就又牵涉出来另一个知识,那就是物质的属性,运动和变化是物质的本质属性,运动产生时间,变化产生空间,这就解释了分子动能的变化。

简而言之可以这么理解:煤燃烧部分物质(消失的900公斤木头)转换成热能,热能(热量降低)推动分子运动进而转换动能,动能(加速流动的空气慢慢恢复)产生了时间。当然写到这我是不会再回答你时间去哪儿了的,因为时间、空间、物质、能量之间又是另一个故事。


水木99999


能量逃逸 物质三大态固态液态气态 我觉得还有很多状态 辐射态也算是吧 热或冷都会对周边环境产生辐射能的影响 造成本体质量的减少但不会增加 如果辐射能传输过远 会变弱 但永不磨灭 继续传播


为国搬砖义不容辞


物质的消失从物质不灭定律看,是被分解分化了,比如一块木头经燃烧,化为灰烬,产生火焰,释放出热能,二氧化碳,烟尘,有的随风流失,飘散在大气中...


科技引导杂谈


见过铁燃烧后有变小的嘛?燃烧是化学反应,木头的骨架谁搭起来的?是水分子和碳原子。只要是分子和其他原子或者分子和分子的物质,燃烧必然变少,以生成其他化学物质!和电子外溢产生发光现象,我们以为发热,只是因为我们感受光的器官觉得热而已!


今天157400046


树木燃烧就是有机物与氧气发生反应的过程。

绝大多数的有机物会成为二氧化碳和水而进入空气中了。

剩下的就是那些不能燃烧不能气化的无机物。

如果物质真消失而转化成能量,那释放出的能量讲相当恐怖,可以参考E=MC²,E是能量,M是质量,C是光速。有兴趣可以算算1 克物质消失转化成能量有多少


老于0815


我们在初中的化学课上曾经学过一个定律,叫做质量守恒定律。质量守恒定律的大致意思就是在化学反应中,参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质质量的总和。我们可以用质量守恒定律来看看亿吨木头烧成灰的过程,那些消失的质量都去哪儿了?

我们发现,一大堆木头烧完后只剩下了一点点灰白色的灰烬。这些灰烬是什么呢?这些都是木头中无法然绕的无机盐成分。这些灰烬的主要成分是碳酸钾,就是我们俗称的草木灰。它是一种很好的钾肥。

好了,除了木头燃烧后剩下的灰烬,大多数的物质都去哪里了呢?我们先来看看,木头的主要成分是什么?木头的主要成分叫做纤维素。纤维素的化学分子式是(C6H10O5)n是碳、氢、氧三种元素组成的。因此木头的燃烧其实就是纤维素和空气中的氧气发生的化学反应。再说的简单一些,木头燃烧其实就是纤维素中的碳元素和氢元素和空气中的氧气发生了反应。

碳元素在燃烧过程中和氧气发生了反应生成了二氧化碳,二氧化碳是一种无色无味的气体。木头中的这些碳变成二氧化碳逃到空气中了。木头中的氢元素在燃烧过程中和氧气反应生成了水。在比较高的温度下,水以水蒸气的形式存在,也是无色无味的。木头中的氢元素也逃到了空气当中。只有那些无法燃烧的无机盐成分变成了灰烬我们是能够看到的。

所以我们就以为木头燃烧只剩下了灰烬,其它的木头中的物质消失了。原来木头中的大部分物质碳元素和氢元素都在燃烧过程中变成了气体跑到空气中去了。如果我们把这些物质的质量都算上的再减去参加反应的氧气的质量还是等于那一吨木头原来的质量的。

因此在这个过程中,物质没有消失,它的一部分变成另外两种我们眼睛看不到的物质。这是我们的眼睛和直觉欺骗了我们啊。


兔斯基聊科学


质量守恒是我们中学时候就学过的一个著名定律,木材的主要成分为纤维素等一类碳氢氧化合物,木材的燃烧,本质上就是这些有机物与空气中的氧气发生了氧化还原反应。反应化学方程式大致如下:

C+O2=(点燃)CO2↑

2C+O2=(高温)2CO↑(不完全燃烧时发生)

2H2+O2=(点燃)2H2O

上述是木材燃烧后的产物,理论上都是气体,还有部分的固体颗粒物,这些物质大部分混合到了空气当中,剩下少部分固体物质形成了灰分。

从广义上来看,质量是守恒的。在相对论的质能守恒中,描述有能量释放就意味着有质能亏损,但是在化学反应中能量变化是非常小的,造成的质量亏损可以忽略;木材的燃烧过程,化学键的断裂和重组会释放热辐射(光子),理论上质量守恒也应该把这部分光子质量算上去。又比如氢气燃烧的化学反应中,2kg氢气燃烧将会释放143兆焦耳的能量,对应的质量亏损约为1.6×10^-9千克,质量亏损率只有几十亿分之一,现有仪器根本无法测量出这么小的相对质量变化。

所以,木材燃烧后,一吨物质都以另一种形态(气态)存在,并没有消失。


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