为何一斤盐溶于一斤水,难以得到两斤总重?爱因斯坦:质量即能量

如果现在问你一个问题,一斤盐溶于一斤水,最后得到的盐水应该重多少,你也许第一反应就会想,答案肯定不是两斤这么简单,否则也不会特别问出来,事实上也确实不是两斤,正确的结果是少于两斤。

但是为什么会这样呢?直观上看,一斤物质加上一斤物质,总重应该就是两斤才对,这么盐溶于水就要少于这个数呢?要想回答这个问题,我们必须要回顾一些重要的物理知识,那就是质量的定义和能量守恒的定律。

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物质的质量

质量是一个非常经典的物理量,它衡量的也就是物质的总量,物理学上会将这个属性分成两种,一个叫做惯性质量,另一个叫做引力质量,要完整地描述某个物体或者某种物质的质量,必须要把这两个方面都涉及到。

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什么叫作惯性质量呢?惯性我们都知道,它具体表现为物体在运动过程中所产生的一种力,而惯性质量指的就是物体能够在这种力的作用下依然保持原有的运动状态,它不对物体运动的速度产生影响。

这个概念最初是由牛顿在他的《自然哲学之数学原理》中提出的,而且明确表示,惯性产生的力与这个物体本身所具有的物质总量之间是正相关的关系,质量越高,惯性也就越大。

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引力质量也来自牛顿的理论,在建立万有引力定律时,他将这个概念引入了整个体系当中,但是这里的引力不只是我们常规上理解的地心引力,而是广泛存在于各种物体之间的引力作用。

这种作用会在物体的周围形成一种引力场,并且对物体的质量产生一定的影响,如果进一步细分还可以分出主动引力质量和被动引力质量。

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当然,在他最早提出这些理论的时候,还是受到了不少质疑的,比如在对质量这个概念本身的定义上,一些研究者认为牛顿没有区分清楚质量和密度,在此基础上做的很多推论都是有问题的。

当然,我们知道牛顿的物理研究奠定了经典力学的基础,他的很多理论框架都成为了后人进一步推进的前提,经过不断的发展和完善,质量的定义也有了更细的区分和应用。

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物理研究在使用这个量的时候,一般都会区分具体的背景,如果我们的研究偏向于物质的组成和结构本身的话,那么质量就应该在分子的维度上理解,质量指向的就是物体所含的物质数量的多少。

而如果背景发生变化,比如这个研究对象本身同时具有一些显著的变化,像是正在产生热量的情况,那么此时的质量也可以与热量划上等号。

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能量即质量

在一斤盐溶于一斤水的实验中,其实就同时包含了这两种情况,首先就这些盐和这些水来说,我们对它们的质量的描述就可以说是在粒子数量的意义上做的,但是当一斤盐溶于一斤水之后,却发生了一个新的变化,要求我们不得不重新理解质量的概念,也就是热量的流失。

要解释这个流失的现象,我们还要回顾另外一个重要的物理理论,也就是质量守恒定律,它同时也指出,能量的本质其实就是质量。

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按照这个它所阐释的规律,特定的物质要想保持质量不变,其实是有条件的,这个条件就是它必须和与外部空间隔绝开来

在我们的认知里面,物质的隔绝是很难实现的,至少就人类社会来看,我们追求的从来就不是隔绝,而是交流和联通,只有实现物质和文化的交换,才能从中创造出新的东西,再把视野放到周围的自然空间,隔绝也绝非自然状态。

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即便是看上去与世隔绝的极地地区,实际上也在洋流、大气甚至生物链上与各个地域保持着联系,可以说,在正常的情况下,一种物质并不会自然和周围的事物之间形成隔绝,这也就可以推出,物质要想保持自身的质量不变其实并非易事。

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假想的密闭环境

显然,这种隔绝更多是一种理论上的设定,在物理研究中,为了设定一个参照物,必须要完成这种理论状态的推演,以对比实际发生的变化,所以会有密闭空间、恒定温度、恒定压强这样的条件要求。

在这种隔绝的实验环境中将一斤盐溶于一斤水,即便会有物质的流失,也依然不会离开设定的空间,所以得到的质量总和还是两斤。

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而如果我们就在一个平常的日子进行盐水相融的实验的话,就是完全不一样的结果了,首先水在接触空气的时候,一定会产生蒸发,如果环境温度稍微高一点,蒸发的量会更大,速度也会更快。

同时盐在溶于水的时候,其实相当于发生了一个物理反应,这个反应本身是会消耗能量的。

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这个能量要么来自它自身,要么来自周围的环境,总之或多或少会产生一些损耗,或者我们为了让这个融化发生得更快一些,可能还会直接用热水,那这种质量的流失也就更明显了,光是一杯热水放在那里散发热气,它的质量就已经开始变化了。

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结语

综上,除非我们在一个隔绝的空间中进行这个实验,并且最后的质量计算是对整个空间中的物质总和的完整累加,否则一斤盐溶于一斤水,是怎么也得不到两斤的总质量的。

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