把地球里的煤炭挖出来烧掉,地球的总质量是不是会变少了呢?
自从爱因斯坦告诉人类质量和能量可以互相转化后就有人担心核武器和核反应堆会源源不断消耗地球质量从而让地球变轻
这种想法其实并不科学,因为质能方程E=MC?虽然阐明了质量和能量的关系,但人类目前只能在原子核层面实现小规模的能量释放,也就是核裂变与核聚变,而核裂变的质能转化率只有0.08%核聚变质能转化率也才0.7%,因此人类的核武器与核反应堆消耗的地球质量是及其有限的。
早在初中化学课上老师就告诉我们“化学反应前后质量守恒”,但根据质能相当原理“任何反应只要有能量放出,那么质量必然减小”,在这一刻似乎质量守恒和质能相当发生了矛盾,那么究竟谁对谁错呢?
严格答案是“质能相当”对“质量守恒”错
但由于煤炭燃烧属于分子层面的化学反应,并不设计原子以及原子核层面,因此煤炭燃烧前后发生的质量亏损是很难测量出来的,所以“质量守恒”如今仍然是化学的重要理论。
事实上从1798年卡文迪许通过扭秤实验测定引力常数进而得出地球质量为“60万亿亿吨”到现在地球总质量其实并没有什么大的变化。人类消耗化石资源也罢进行核试验也罢,所消耗的质量甚至还比不上地球大气逃逸质量的千分之一。
在地球大气最外侧的“外逸层”中,由于大气分子受太阳辐射影响而运动极快且受到地球引力影响极弱,所以每年都会有数十吨大气挣脱地球逃到外太空。
但考虑到每年地球上都会被很多微陨石撞击,偶尔还会被“大”陨石撞击,而这些天外来客的质量恰好补充了地球大气逃逸的质量,所以地球质量并不会发生太大波动。
煤炭是一种碳氢化合物,它被人类燃烧使用过后就会变成三种物质,分别是雨水,煤渣和二氧化氢,这三种物质有无形和有形两种,无形的就是肉眼看不见,有形的就是肉眼可以看得见的。比如,雨水和煤渣就是可以看见的,水还可以利用来发电,继续循环使用,而二氧化碳是一种气体,无色无味,散发在空气中,就直接被植物给吸收,变成有机物,所以肉眼是看不见。
如果把地球里的煤炭挖出来烧掉,地球的总质量是不是会变少了呢 按照传统理论《能量守恒定律》来说,虽然把煤烧掉了,但是地球上的物质总量并没有少,所以地球的总质量是不会减轻的。 目前依靠人造地球卫星围绕地球转动时的数据计算地球的质量是一种常用的方法,用这种办法计算出的地球质量是包括地球大气层质量在内的。
如果大气也算入总质量,那么问题比较简单。煤炭即便燃烧完,地球(连同大气)的总质量还是守恒的。 这样认为也是错误的,卫星能检测到地面上的不同事物,就是检测到每个事物的热辐射完成任务的,一个人的热辐射都能上空数百千米的地方检测到,那么煤炭剧烈燃烧的热辐射、光辐射,肯定都会逃逸出地球。
如果不计大气的质量,那么,比较现实的情况应该是地球本身的质量会在煤炭集中燃烧的初期大量减少。 但是很快巨量的二氧化碳又会跟水结合,被海洋吸收,毕竟地球表面大部分都是海洋,降水会很快溶解过滤空气中的二氧化碳,迅速降低海洋的ph值。而且大量的二氧化碳还会跟碳酸盐结合,形成碳酸氢盐,并随水分流入海洋。但这个过程比较慢,毕竟地球上的植物经过数亿年,才形成了这么多的煤炭。一次性燃烧完,要让植物再把它们固定下来,可不是一两年的事情。 所以煤炭燃烧后地球的总质量一定会减少的。
煤主要由碳组成,但也含有氢气、氧气、氮气和硫磺。煤的燃烧本质上是煤中的有机物和空气中的氧气之间的REDOX反应。经过反应(燃烧),碳与氧气结合形成二氧化碳,氢与氧气结合形成水蒸气,氮与氧气结合形成气态的氧化氮,硫与氧气结合形成气态的二氧化硫。这些气体随后被释放到大气中,使固体看起来质量更小。参与反应的煤和氧气的质量之和等于最终产生的灰和气体的质量之和。在反应前后,原子的数量既不增加也不减少,总质量是保守的。
只是当你制造大量的气体时,你会失去固体的质量。煤中的有机物是一种复杂的高分子有机化合物,主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷组成,碳、氢和氧之和占有机物的95%以上。无机煤也含有少量的碳、氢、氧、硫和其他元素。碳是煤中最重要的成分,其含量随着煤化程度的提高而增加。泥炭的碳含量为50% ~ 60%,褐煤为60% ~ 70%,烟煤为74% ~ 92%,无烟煤为90% ~ 98%。
硫磺是煤炭中最有害的化学物质。煤炭燃烧时,硫会产生SO2,腐蚀金属设备并污染环境。煤炭中的硫含量可分为五个等级:高硫煤,超过4%;富硫煤,2.5% ~ 4%;中硫煤,1.5% ~ 2.5%;低硫煤,1.0% ~ 1.5%;极低硫煤,小于或等于1%。煤中的硫可分为有机硫和无机硫两类。有机物燃烧后,足以作为气体释放到空气中。因此,在制煤时,必须将一定比例的泥浆混合成一定形状。
这就是好的煤经过燃烧后变成黄色,而且非常蓬松,是煤里面燃烧后,变成气体逸散到空气中,留下的土壤残留物。当煤被燃烧时,它与空气中的氧气反应,产生二氧化碳,这也是一种气体。煤的质量减少到无法燃烧或难以燃烧的残渣。
不论是产生哪种化学反应,原子都不会平白无故消失,质量也是守恒的,然而,这并不意味着固体质量会保持守恒,比如10吨煤在经过燃烧后,大概剩下1吨灰,这种现在非常常见也很正常,所以,不要因此认为质量并不守恒。
煤的形成过程十分漫长,距离至今3亿多年以前,地球上生长的许多蕨类植物,但它们也有死去的那一天,只是不会马上被微生物分解腐烂掉,有一部分会被泥沙间接覆盖住,受到长期地势活动的影响,这些部分就会固化形成煤炭,煤是由哪些成分组成的呢?我们会发现煤基本上都是黑色的,这是因为里面占比最大的成分就是碳。
不光如此,酶中还存在着氢、氦、氮和硫等元素,我们在初中化学中就已经学过了煤的燃烧原理,实际上就是煤炭里含有的有机物和空气中的氧气,形成了一种氧化还原反应,于是碳就会和氧气形成二氧化碳,氢也会和氧气形成水蒸气,氮则是和氧气发生反应,变成了气态的带氧化物,硫则毫无疑问变成了二氧化硫,他们会飘到空气当中,给人们的感觉就是固体质量像是减少了很多,那么实际上有没有减少呢?
我们刚刚所说的这些气体以及煤炭在燃烧后所产生的灰,两者的质量相加起来,就是煤和参与反应的氧气质量之和,所以完全是相等的,不论是发生反应以前还是发生反应以后,反应以前还是发生反应以后,原子种类既没有增加也没有变少,总质量一直处于守恒的状态,固体的质量之所以会变少,是由于产生的大量的气体,更准确来说,在煤燃烧之后,质量综合的确会减少,真正守恒的其实是质能总和。
爱因斯坦经过大量验证得出的质能方程,即E=mc²可以得出结论,能量和质量从根本上来说就是等价,别说煤炭燃烧会怎么样,其他物体在燃烧的时候都免不了产生大量能量的过程,也就是说只要产生了能量,就会有一定的质量的损失,然而这些能量都属于化学能,所以释放出来的能量也没有我们想象的那么多,我们所了解的质能方程中的光速平方也是一个数值很大的转换因子,因此质量的变化幅度其实也很小,甚至可以让人们直接忽略,从这一方面来说,从化学变化中就能认为是守恒的。
为何燃烧10吨煤只损失了37g质量呢?
这也是经过精确的计算而得出的答案,10吨的煤在燃烧以后释放出的能量大概为3.3乘10的15次方焦耳,然而在运用智能方程就可以算出燃烧10吨煤就会损失37g的质量,和煤的总质量来看,这种质量的变化的确不太明显,煤在燃烧中最不可缺少的元素就是氧,没有氧,煤几乎是无法燃烧的,有些家庭在家里生的锅炉子,还有工厂中的锅炉,都不是在密封环境下进行的,必须有大量的空气参与其中,煤在燃烧后要么就是变成了灰分,也就是说煤不太干净,这些灰也是在燃烧以后无法分解的物质,例如氧化硅、氧化铁等,再就是变成了二氧化碳,还有些水蒸气、硫化物等,所以说,煤的燃烧其实就是在破坏环境,因为大部分物质都对大气有所污染。