一斤水溶一斤盐,最后重量是二斤吗?为什么?

一斤盐溶解于1斤水,重量到底变不变,其实可以很简单,那就是重量不变,因为质量守恒。其实也可以很复杂,把各种干扰因素都考虑进来。为什么这么说呢?

我们如果真的去做这个实验,真的把一斤盐溶于一斤水,首先会遇到的问题是,盐的溶解度存在,一斤水只能溶解一部分的盐,其余的盐并不能溶解。(比如,在温度为20摄氏度时,食盐的主要成分氯化钠36g可以完全溶解于100g 水中。)

其次,如果我们去称量结果,假设测量设备足够理想,可以测到微乎其微的变化,那测出来的结果一定不是2斤。这是因为外界的温度,湿度等因素都会影响到重量的测量。

质能等价

不过要完全搞清楚这个问题,我们需要引入一个物理理论,这个理论叫做质能等价,听起来很陌生,但是你对它却十分熟悉。如果要问在物理学领域最有名的公式,那一定就是质能方程E=mc^2。(在这里E是指能量,m是指质量。)

很多人喜欢把这个方程用在核弹爆炸前后的解释,似乎质能方程就是核弹制造原理一样。但事实上,这样说是不准确的。准确来说,原子弹的原理是核裂变,氢弹的原理这是核聚变。质能方程只是可以计算出核弹的爆炸威力。

关于这方面的解释,很多人一般是这么认为的:核弹爆炸前后,有质量减少,质量转化为了能量释放出来。但这里要说,这个观念是有问题的。

实际上,质能方程是描述等价关系,而不是转化关系。科学家是很喜欢统一的,爱因斯坦利用质能方程来统一质量和能量。质能等价描述的是质量和能量其实是一个东西,质量里还有能量,能量里还有质量。所以,核弹释放出来的那部分能量,如果你有一个理想的仪器把它们收集起来,然后称量一下,你就会发现,它应该恰好等于反应前后损失的质量。也因此,质量守恒是正确的,能量守恒也是正确的,才使得质能守恒是对的。一个系统应该同时遵守这三个守恒。

封闭系统

知道了质能方程,我们再来看看这个问题。假设我们有个理想的实验条件,把水倒入到食盐当中,并且可以确保整个过程中,整个系统不和外界有任何的物质交换和能量交换。这就意味着整个过程没有任何的质量损失,因此,最后的结果就是两斤。这里要多强调一句,这里指的是在一个封闭系统当中做实验,才能确保前后质量完全没有发生变化,其中也包括溶解过程中可能放出的热不扩散到系统外。

非封闭系统

但是,一般情况下,我们所遇到的并非是封闭的系统的,或者我们应该说做不到是封闭系统的实验条件。这时候,系统就很容易受到外界的因素的干扰。我们举个例子,如果我们的实验条件其他条件都一致的情况下,你在室温是15度的环境下做实验,和在室温是40度的环境下做实验,那最终测到的结果是不同的。这是因为温度对于系统的影响很大,热传递会使得系统的质量发生变化,也会提升或者降低水汽蒸发的速率。

在15度的环境中,水温(假设水温20度)高于室温,会散热,但同时水汽蒸发也慢;在40度的环境中,水温低于室温,那水就会向外界吸收热量,但同时水汽蒸发的速度也要比15度的情况。就像上文所说的,质量和能量是一个东西,因此我们很难测算两者到底谁大谁小。不过,大概率会是40度的质量更小一些,这是因为吸热的能量所对应的质量应该要远比蒸发的量。

总结

根据质量守恒定律,在理想条件下(也就是不考虑外界干扰因素的情况下),1斤水溶1斤盐的结果就是2斤,说白了就是1+1=2。

根据质能等价,我们知道质量和能量是一个东西,质量里有能量,能力还有质量。因此,整个系统和外界只要有物质、能量的交换,质能就会发生变化。在实际条件下,干扰系统的因素太多,这些因素都会使得系统和外界发生物质和能量的交换,因此,1斤水溶1斤盐的结果是很难确定的,可能高于2斤,也可能低于2斤,这完全与外界干扰因素对于系统的影响。