物質是怎麼消失的?比如一噸的木頭燒成灰的過程,那些重量是怎麼消失的?

溪仔x


物質是怎麼消失的?比如一噸的木頭燒成灰的過程,那些重量是怎麼消失的?

一噸木頭燒成炭還是不少的,但如果任其燒盡那麼就只剩下一小堆灰燼,剩下的物質就不多了,而煤炭的狀況也類似,熱值高的煤炭灰分比例比較低,熱值低的煤炭灰分比較高,灰分從10%-40%甚至更高。那麼問題來了,剩下的那些物質去哪了呢?

木材的燃燒過程

木材燃燒是一個司空見慣的過程,但要說其過程可能大家都有點糊塗,要說清楚過程,必須先來了解下木材的成分,因為燃燒就是一個劇烈的化學反應過程,木材的成分與之關係非常大!

高度放大的木材圖像,顯示纖維素纖維糾

木材的主要成分是纖維素,它是一種多糖,是植物細胞壁的主要結構成分,與半纖維素和果膠以及木質素結合在一起,構成了不同品質的木材,人體腸道內不含纖維素酶,因此即使人吃了木頭也不能消化,但很多以木材為食的白蟻或者蛀蟲有,所以它們能以木材為食!但無論這些纖維素或者半纖維素與果膠比例有多少差別,最終都是有碳氫氧元素組成三者比例為:

  • 碳約佔44%
  • 氫約佔6%
  • 氧約42.5%
  • 0.5%以下氮
  • 1%以下礦物質灰分

燃燒過程:木材在受熱時將會產生裂解反應,200℃主要生成形式是二氧化碳和水蒸氣以及甲酸乙酸以及各種易燃氣體,在200~280℃產生少量水汽及一氧化碳,在280~500℃,產生可燃蒸氣及顆粒;在500℃以上則主要是碳。

碳完全燃燒時生成二氧化碳,不完全燃燒時則生成一氧化碳,木材在燃燒過程中會內焰因氧氣不充分生成一氧化碳,等氣體跑到外焰時將會參與燃燒!二氧化碳和一氧化碳和水蒸氣將通過燃燒過程排入大氣,其他不可燃燒的礦物質等將遺留形成灰燼!

木材中的灰分比例大都不超過1%,草料類的灰分比稍高大約2%左右!一噸木材燃燒大約只留下10千克灰分,當然還有飛灰在燃燒過程中飄走了!

化學法應中的質量守恆

木材燃燒是化學變化過程,所有物質前後並不會發生改變,僅有的只是它們之前不同元素的組合方式發生了改變,而且在這個過程中氧氣參與進來了,因此木材燃燒總的質量是增加的,但氧氣加入後的燃燒反應生成大量二氧化碳和一氧化碳等這些氣體,隨風就不見了,留下一堆灰燼,給我們的感覺就是木材燃燒之後有質量不見了!其實在一個封閉系統中燃燒,質量前後是不會變化的,這就是化學反應中的質量守恆。

曾經歷史上出現過的燃素說並不是這樣認為,因為大家都發現可燃物燃燒之後都變輕了,所以認為可燃物因為含有燃素,燃燒過程釋放了燃素所以質量變輕了!但拉瓦錫在鎂的燃燒過程中發現,燃燒後的氧化鎂質量不減反增,所以燃素說就此破產了!

化學反應質量守恆就是由此發展演化出來的。

質量發生改變的燃燒

時間進入二十世紀初,愛因斯坦發表了《論動體的電動力學》的第二天接著發表了《物體的慣性和它所含的能量有關嗎?》,前後兩篇論文構成狹義相對論的核心,而後者則是著名的質能等價方程!

很多朋友以質能方程是愛因斯坦發現為由,認為他在原子彈和氫彈上做出決定性的貢獻,但其實愛因斯坦和核彈只有半毛錢關係!不過質能等價方程完全可以計算裂變和聚變過程中產生的質量虧損,以及過程中所釋放出的巨大能量!

當然上述過程指的是原子核內部的過程,但其實請不要忽略的一個結果就是,所有在有能量發生的過程都將伴隨著質量變化,即便它是一個化學過程,只是化學反應產生的這點質量變化實在是太可憐了,甚至沒有任何一個天平可以稱出來你家今年冬天取暖燒掉的煤有多少質量虧損,但卻已經可以讓你冬天在家裡光著膀子橫著走了!

比如100噸煤燃燒產生的質量虧損:

1千克標準煤:29260000焦耳

100噸為:2926000000000焦耳

那麼質量虧損為:0.00325克

估計得找個很精確的天平才能測得100噸煤燒掉後的質量虧損。

所以這個質量損失可以忽略不計,化學反應前後質量守恆也只有吹毛求疵的時候,或者跟人家撕逼的時候拿出來顯擺一下,實際操作是不可想象的。


星辰大海路上的種花家


我們從小就學到質量守恆定律、能量守恆定律甚至是質能守恆定律。可以說,守恆定律從誕生之日一直持續至今,都是十分堅實的物理學理論,當牛頓的三大力學定律和萬有引力定律在大尺度下和小尺度下都產生了巨大誤差時,守恆律依舊堅如磐石;

當然,波爾對“實驗中丟失的一小部分質量”產生疑惑,甚至一度想要否定能量守恆時,實驗(發現中微子)最終還是捍衛了守恆律。

如果守恆律是確實成立的,就會有一些人在思考一些問題,比如,燃燒過程中,燃燒過後,留下來的質量似乎都比反應之前要少得多,那這部分損失“質量”到底哪去了?

這個問題看似很簡單,實際上並不簡單,這裡就涉及很多問題,比如燃燒反應以及愛因斯坦的質能等價。我們今天就來聊一聊這個問題。

燃燒反應

我們就拿“燃燒木頭”來舉例子。要搞清楚木頭的燃燒反應,我們其實就應該先搞清楚木頭的主要程度到底是什麼?

木材中的主要成分是木質素、纖維素及半纖維素,這裡指的是乾燥的木材。纖維素是一種由葡萄糖衍生而來的結晶聚合物,大概佔據總物質的41%~43%。

如果我們從元素的角度來看,構成木材的主要成分是碳,氫,氧。具體的佔比是:

  • 碳大概佔44%
  • 氫大概佔6%
  • 氧大概佔42.5%

剩餘的,還有大概0.5%的氮元素,以及不到1%的其他元素。我們從木材的成分來看,木材的燃燒主要就是碳燃燒。

通過初中的化學課,我們也知道,碳燃燒的結果是生成二氧化碳或者一氧化碳,這取決於是不是在充分燃燒。

我們要注意的是,燃燒的過程實際上是有氧氣的介入,也就是說,有其他的反應物加入了反應,整個系統的質量理應增加的,增加的部分就是“參加氧氣的質量”。

但當我們稱量時,只能稱量燃燒後剩餘的物質,這些並不是所有的生成物,在眾多生成物中,最主要的部分以二氧化碳和一氧化碳的氣態形式飄走了,進入到了地球的碳循環當中,成為碳循環的一部分。

我們無法用肉眼看到這部分,更無法拿天平對這部分稱重,所以,這才會讓很多人覺得整個燃燒過程中少了“質量”。實際上,丟失的絕大部分“質量”,幾乎99.99999999%以上的質量都是以氣體的形式離開了系統。

假設,我們擁有一個封閉的系統,確保了系統內有足夠氧氣,而且生成的二氧化碳和一氧化碳無法從這個系統中出去,那系統在反應後再進行稱量得到的結果是什麼呢?

實際上,最終的稱量結果還是“丟失了一部分的質量”,這裡要補充一句,這裡指的是秤的精度能夠達到理想狀態,在小數點後16位開外還能測得準。那丟失的“質量”哪去了?

質能等價

二氧化碳的燃燒,本質上是一個放熱反應。這部分熱最終會以能量的形式丟失掉。那這部分能量和丟失的質量到底是什麼關係呢?

實際上,它們就是一回事,我們可以用愛因斯坦的質能方程E=mc^2把它們之間的關係表述出來。質能方程實際上是愛因斯坦在1905年,發表的4篇論文中的其中一篇,叫做

《質能等價》的論文推導出來的方程。

在這篇論文中,愛因斯坦統一了質量和能量,他認為質量和能量是一回事,是一個物體的兩個屬性,質量裡還有能量,能量裡也還有質量。所以,木材燃燒的過程中,跑掉的能量,實際上對應著質量,通過質能方程的移項,我們就可以得到m=E/c^2,也就是說對應E/c^2的質量丟失,其中c=3*10^8m/s,所以,這個丟失的質量是極其小的,在小數點後十多位開外,很難能夠測得出來,但並不是不存在這部分質量的丟失。

所以,通過木材的燃燒反應,我們最起碼要搞清楚守恆律到底是什麼?

實際上,質量和能量是一個東西,那麼反應前後的質量是守恆的,能量也是守恆的,也因此質能是守恆的,質量和能量是等價關係,而不是質量和能量是轉化關係。


鍾銘聊科學


物質沒有減少。把木柴點燃,直到燒成灰燼,木柴的質量看似減少了,但其實組成木柴的各種元素一點兒也沒有變少,它們只是換了一種存在方式罷了。燃燒屬於化學反應(遊離基的連鎖反應),反應前後的質量是相等的,就是說組成木柴的所有原子都還存在,沒多也沒少。經過燃燒,它們與其他原子(主要是氧)組成了新的化合物。

木頭燃燒後減發生了什麼變化

第一步:炭化脫水。木頭中含有很多水分,遇熱開始燃燒前,它內部的水分會先被高溫氣化,逸散出來。完全脫水的木頭就是木炭了。第二部:燃燒,炭的氧化反應。在這一過程中,碳與氧發生反應,釋放大量熱能並生成二氧化碳氣體。

碳元素全部被氧化後(理想狀態,實際不可能,),反應停止,火焰熄滅。

你看,木頭先是損失水份,減小了約一半的重量(木炭比木頭輕許多);接著再損失掉大部分碳元素;然後還有很多成分變成微小的凝膠狀顆粒飄走,也就是冒煙。燃燒後的木頭看似減重了,其實是水和碳變成了水蒸氣和二氧化碳,跑到大氣中去了。

灰燼是什麼

植物生長不只需要水分,還需要土壤中的各種無機鹽。主要有磷、鉀、鈣、鎂、鋅、鐵、錳、銅、硼、鉬……多了去了。它們平時分佈在植物體內,經過燃燒反應與氧結合後也不會變成氣體飄走,而是留在原地,成為一攤灰燼。是好肥料喲。

歡迎喜歡科學的朋友們關注:純野生科學家。專業化繁為簡,每天分享通俗易懂的科學小知識。


純野生科學家


在回答這個問題之前,我們首先要搞清楚什麼是物質。物質的物理定義是物質為構成宇宙間一切物體的實物和場;哲學上是這麼說的:物質指不依賴於人們的意識而存在,又能為人們的意識所反映的客觀實在。中學物理上有這麼一句話:物質既不能被創造,也不能被消滅,只能在一定的條件下從一種形態轉化為另一種形態;所以結合現在的研究及理論知識,物質是不會消失的,是個真命題!

那麼1噸木頭燃燒後剩下100公斤灰,900公斤的物質去哪裡了呢?其實也很好理解,只要你明白了這句話的含義:物質只能在一定的條件下從一種狀態轉化為另一種狀態,這就可以解釋那900公斤的木頭去了哪裡,在燃燒的條件下,900公斤的木頭轉換成了能量,並沒有憑空消失,粗俗的可以這樣理解,冬天寒冷的屋內,燃燒1噸木頭後,屋內的溫度明顯上升,屋內上升的溫度就是木頭的一種轉化,物理學中的質能公式:E=mc2,可以科學的解釋質量和能量之間的轉換。

當然了可能你會說能量是什麼,能量是物質嗎?那屋內的溫度降低下來,是不是表示物質消失了呢?要想解釋這一點首先要明白能量是什麼,能量是物質的一種表現形式,同樣能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只會從一種形式轉化為另一種形式,或者從一個物體轉移到其它物體,而能量的總量保持不變。根據能量守恆定律可以這樣理解,木頭燃燒後轉換成熱能,熱能可以加快空氣中分子的運動,也即熱能會轉換成分子的動能,也許寫到這你可能就要問我了,分子運動是不是最後還是會恢復原狀,那分子動能又哪裡去了呢?

這就又牽涉出來另一個知識,那就是物質的屬性,運動和變化是物質的本質屬性,運動產生時間,變化產生空間,這就解釋了分子動能的變化。

簡而言之可以這麼理解:煤燃燒部分物質(消失的900公斤木頭)轉換成熱能,熱能(熱量降低)推動分子運動進而轉換動能,動能(加速流動的空氣慢慢恢復)產生了時間。當然寫到這我是不會再回答你時間去哪兒了的,因為時間、空間、物質、能量之間又是另一個故事。


水木99999


能量逃逸 物質三大態固態液態氣態 我覺得還有很多狀態 輻射態也算是吧 熱或冷都會對周邊環境產生輻射能的影響 造成本體質量的減少但不會增加 如果輻射能傳輸過遠 會變弱 但永不磨滅 繼續傳播


為國搬磚義不容辭


物質的消失從物質不滅定律看,是被分解分化了,比如一塊木頭經燃燒,化為灰燼,產生火焰,釋放出熱能,二氧化碳,煙塵,有的隨風流失,飄散在大氣中...


科技引導雜談


見過鐵燃燒後有變小的嘛?燃燒是化學反應,木頭的骨架誰搭起來的?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質,燃燒必然變少,以生成其他化學物質!和電子外溢產生髮光現象,我們以為發熱,只是因為我們感受光的器官覺得熱而已!


今天157400046


樹木燃燒就是有機物與氧氣發生反應的過程。

絕大多數的有機物會成為二氧化碳和水而進入空氣中了。

剩下的就是那些不能燃燒不能氣化的無機物。

如果物質真消失而轉化成能量,那釋放出的能量講相當恐怖,可以參考E=MC²,E是能量,M是質量,C是光速。有興趣可以算算1 克物質消失轉化成能量有多少


老於0815


我們在初中的化學課上曾經學過一個定律,叫做質量守恆定律。質量守恆定律的大致意思就是在化學反應中,參加反應的各物質的質量總和等於反應後生成的各物質質量的總和。我們可以用質量守恆定律來看看億噸木頭燒成灰的過程,那些消失的質量都去哪兒了?

我們發現,一大堆木頭燒完後只剩下了一點點灰白色的灰燼。這些灰燼是什麼呢?這些都是木頭中無法然繞的無機鹽成分。這些灰燼的主要成分是碳酸鉀,就是我們俗稱的草木灰。它是一種很好的鉀肥。

好了,除了木頭燃燒後剩下的灰燼,大多數的物質都去哪裡了呢?我們先來看看,木頭的主要成分是什麼?木頭的主要成分叫做纖維素。纖維素的化學分子式是(C6H10O5)n是碳、氫、氧三種元素組成的。因此木頭的燃燒其實就是纖維素和空氣中的氧氣發生的化學反應。再說的簡單一些,木頭燃燒其實就是纖維素中的碳元素和氫元素和空氣中的氧氣發生了反應。

碳元素在燃燒過程中和氧氣發生了反應生成了二氧化碳,二氧化碳是一種無色無味的氣體。木頭中的這些碳變成二氧化碳逃到空氣中了。木頭中的氫元素在燃燒過程中和氧氣反應生成了水。在比較高的溫度下,水以水蒸氣的形式存在,也是無色無味的。木頭中的氫元素也逃到了空氣當中。只有那些無法燃燒的無機鹽成分變成了灰燼我們是能夠看到的。

所以我們就以為木頭燃燒只剩下了灰燼,其它的木頭中的物質消失了。原來木頭中的大部分物質碳元素和氫元素都在燃燒過程中變成了氣體跑到空氣中去了。如果我們把這些物質的質量都算上的再減去參加反應的氧氣的質量還是等於那一噸木頭原來的質量的。

因此在這個過程中,物質沒有消失,它的一部分變成另外兩種我們眼睛看不到的物質。這是我們的眼睛和直覺欺騙了我們啊。


兔斯基聊科學


質量守恆是我們中學時候就學過的一個著名定律,木材的主要成分為纖維素等一類碳氫氧化合物,木材的燃燒,本質上就是這些有機物與空氣中的氧氣發生了氧化還原反應。反應化學方程式大致如下:

C+O2=(點燃)CO2↑

2C+O2=(高溫)2CO↑(不完全燃燒時發生)

2H2+O2=(點燃)2H2O

上述是木材燃燒後的產物,理論上都是氣體,還有部分的固體顆粒物,這些物質大部分混合到了空氣當中,剩下少部分固體物質形成了灰分。

從廣義上來看,質量是守恆的。在相對論的質能守恆中,描述有能量釋放就意味著有質能虧損,但是在化學反應中能量變化是非常小的,造成的質量虧損可以忽略;木材的燃燒過程,化學鍵的斷裂和重組會釋放熱輻射(光子),理論上質量守恆也應該把這部分光子質量算上去。又比如氫氣燃燒的化學反應中,2kg氫氣燃燒將會釋放143兆焦耳的能量,對應的質量虧損約為1.6×10^-9千克,質量虧損率只有幾十億分之一,現有儀器根本無法測量出這麼小的相對質量變化。

所以,木材燃燒後,一噸物質都以另一種形態(氣態)存在,並沒有消失。


分享到:


相關文章: