提到各种各样的物理知识,相信大家对于中学时候学过的物质守恒定律还有印象,这个定律的内容大概是,在一个独立的、与外界隔绝开的物质空间中,无论这其中的物质之间进行怎样的活动和转化,整个空间的物质的总质量始终保持原来的水平。
这不禁让我们想起那个有趣的实验,一斤盐溶于一斤水之后,总质量却不是我们想象中的两斤,这具体该如何解释呢?
什么是质量?
说到质量,我们经常会把它和另外一个物理量混淆,那就是重量。
生活中也经常会有误用的情况,但其实二者是完全不同的概念,所谓质量指的是物质的数量,它所描绘的特定物体所包含的物质的多少。而重量指的是物体所受到的引力的大小,也就是来自地球的重力作用。
一个最简单的区分方法是,二者的度量单位是不一样的,质量的单位是千克,而重量的单位是牛顿。
当然,物理学上关于质量还有更多专业的区分,比如它还分为两种不同性质,也就是惯性质量和引力质量。
最早对质量这一概念作出定义的科学家就是牛顿,同时期的以及后来的很多物理学者都对他的定义提出了很多看法,比如一些人认为他没有将密度和质量之间的关系阐释清楚。
他们的观点是,密度和质量在某种程度上是同一个东西,所以牛顿的定义其实还是在做一种同义反复,但是在《自然哲学的数学原理》中,牛顿其实讨论了这一点,他对质量的定义确实引入了新的概念,也就是物质的惯性。
经典力学认为,在确定物质的质量之前,必须要确定所选定的物理量,比如可以直接用分子或者其它粒子的数量来描述其大小。
如果物质有着特定的性质,比如热量,那么也可以用它能够产生的热量的多少来衡量,这种方法就每一种物质本身来说是完全没有问题的。
因为不同的物质有完全不同的特点,只要最终的结果本质上指的是物质内容的多少,就是准确的描述。
但是这样的方法会产生一个困难,那就是不同的物质之间很难进行统一的比较,为了便于我们的理解和使用,需要找到一个具有普遍性的性质,也就是所谓的惯性和万有引力。
因为任何有质量的物质,都会产生惯性并且受到万有引力的作用,这二者在物理学上虽然描述的不是一种现象,但是最后得出来的结果是一致的。
既然如此,那么在盐溶于水的实验中,盐和水虽然有着完全不同的性质,但是它们的质量其实是可以放在一起进行比较的,也就是说理论上,它们的质量的数值是完全可以进行数学计算的。
所以我们很自然就会得出,一斤盐溶于一斤水之后所得到的盐水的质量就是两斤,但实验结果告诉我们,这个计算结果并不准确,我们没有得到理论上完美的一加一等于二,而是一个更小的数字,那这个过程中到底发生了什么呢?
质量守恒定律
让我们回到质量守恒定律的内容,也就是说,一个物质空间必须要和外界完全隔绝,才能够实现总质量保持不变的效果。
爱因斯坦提出的质能关系进一步指出,能量的交换就是物质的交换,那么所谓的隔绝指的又是什么呢?
你一定还记得中学时代的物理题目里频繁出现的这些字眼,恒温条件、密闭容器、绝热空间等等,它们的作用其实就是创造一个理论上的理想实验环境。
在这种假设的物质空间中,物质能够在不受其它因素影响的前提下自由反应,无论发生怎样复杂的变化,最后依然会保持原来的总质量不变,而所谓的外部因素的影响,最显著的例子就是温度。
想象一下在我们这个盐溶于水的实验当中,如果最开始时候的状态是一个温度,而到了开始溶化的时候,太阳却忽然出来了,空气温度上升会带来室温上升,这就或多或少会造成水分的蒸发,最后一斤的盐加上一斤的水,自然也就不是两斤的结果了。
而且水和盐本身的性质和状态也会产生影响,比如为了溶化更快发生,我们使用的是热水或者温水,那么这个过程中必然会发生因为蒸发而造成的水分流失,或者我们用的盐不是普通的食用盐,而是一些发生反应时会吸收热量或者释放热量的盐,最后都会造成能量的流失,也就是物质的流失。
结语
所以说,一件盐溶于一斤水要想得到两斤的总质量,需要满足质量守恒定律中对物质空间的要求,绝对隔绝任何外部因素的影响,让实验发生在一个完全独立和密闭的环境中,否则能量的流失必然会造成质量的减损。