Как уменьшается масса в ходе обычной химической реакции, которая высвобождает энергию, такую ​​как тепло, звук или свет?

На самом деле химические реакции могут уменьшать массу точно так же, как и ядерные реакции. Мне трудно это принять, но это правда.

Когда молекулы динамита взрываются, связи между атомами разрываются и восстанавливаются в различных конфигурациях. Результатом этого является то, что чистая электрическая потенциальная энергия в полученных молекулах меньше, чем электрическая потенциальная энергия исходной палочки. Теперь самое интересное — это означает, что у него меньше массы. Типа, буквально, меньше массы. Мол, если дать теплу, свету и звуку рассеяться, а сверхтщательно собрать и взвесить все продукты реакции (на практике это, конечно, невозможно), то она будет весить чуточку меньше, чем оригинальная палочка.

Я считаю полезным подумать о более простом примере. Возьмем два атома водорода и атом кислорода. Позвольте им столкнуться друг с другом. Их электронные орбитали сливаются и гибридизуются. По мере того, как их электроны переходят в новое общее состояние с более низкой энергией, они испускают фотоны. Эти фотоны уносят энергию и, следовательно, массу атомов. Результирующий$\mathrm{H_2O}$молекула буквально весит меньше, чем два водорода и один кислород заранее.

Странный!

Химическая энергия в динамите преобразуется в тепло, свет и звук.

Эта химическая энергия является связанной энергией. Тепло, свет и звук, возникающие при высвобождении этой химической энергии, являются несвязанной энергией. Другое название связанной энергии в физике — масса. Вы наверняка читали, что ядерные реакции превращают массу в энергию. Альтернативный взгляд: масса не превращается в энергию, потому что масса уже является энергией. Масса — это просто еще одна форма энергии, точно так же, как тепло, свет и звук — формы энергии.

Развитие квантовой механики заставило физиков пересмотреть различные понятия сохранения массы и сохранения энергии. Масса определенно не сохраняется, когда протон и антипротон аннигилируют друг с другом, равно как и энергия в старых представлениях о том, что составляет энергию. Новое понятие (на самом деле уже не такое уж новое) заключается в том, что сохранение энергии включает массу как форму энергии.

Я упомянул об уничтожении выше. Масса также не сохраняется, когда четыре протона объединяются в результате серии реакций с образованием гелия (но сохраняется энергия или масса + энергия). Как насчет химических реакций, таких как взрыв динамитной шашки? То же самое применимо. Единственная разница между этой динамитной шашкой и событием уничтожения заключается в количестве высвобождаемой энергии. Несвязанная энергия выделяется обеими реакциями, поэтому связанная энергия («масса») обязательно должна уменьшаться.

Масса, по-видимому, сохраняется в химических реакциях, потому что деление количества энергии, высвобождаемой в химической реакции, на скорость света в квадрате дает неизмеримо малое количество массы. Разница в том, что «на практике» и «в принципе». На практике изменения массы в химических системах слишком малы, чтобы их можно было измерить. В принципе, масса меняется.

Химическая энергия составляет небольшую часть массы динамитной шашки.$E=mc^2$не относится только к ядерным реакциям! Ядерные реакции являются архетипическим способом «проверки» уравнения, хотя и в обычном физическом смысле. (Только <0,7% массы можно превратить в энергию в ядерном процессе. Я знаю, что 0,7% — это значение для синтеза, деление должно быть меньше.) (На самом деле Эйнштейн предложил массировать соли радия до и после некоторого ядерного распада в 1905 г., задолго до деления.) Есть много других способов увидеть$E=mc^2$В бою. Вот несколько (включая ваш пример):

1) Химические связи. То, что мы обычно думаем о химической энергии, содержится в химических связях между молекулами и т. д. Это энергия, и$E=mc^2$может быть реализована как часть массы химической системы. Поэтому, когда связи разрываются и образуются при взрыве динамита, часть этой массы теряется в виде лучистой энергии (инфракрасного излучения, т.е. тепла).

2) Глюоны. Это действительно интересно, по крайней мере мне. Я уверен, что вы слышали о бозоне Хиггса и механизме Хиггса. В популярной литературе говорится, что все вещи придают массу. Но интересно то, что если вы посмотрите на массу протона (~ 938 МэВ) и массы составляющих 2 верхних кварка и одного нижнего кварка (каждый ~ 4 МэВ), мы увидим ОГРОМНОЕ несоответствие! Где лишняя масса? Здесь$E=mc^2$и квантовая механика объединяются, чтобы сказать нам, что в протоне на самом деле есть море виртуальных пар кварк-антикварк и глюонов. (Это называется динамической моделью нуклона). Энергия, содержащаяся во всех глюонах и виртуальных кварках, составляет 99% массы протона.

3) Гравитационное излучение. Это требует некоторого понимания общей теории относительности. В бинарной системе квадрупольный момент отличен от нуля. Следовательно, система излучает гравитационные волны. У этих волн есть энергия, поэтому масса системы должна уменьшаться. Это соответствует увеличению частоты вращения системы. Этот эффект был измерен с очень высокой степенью точности (цифры не приходят мне в голову).

4) Аккреционные торы. Мы можем использовать аккреционные торы вокруг черных дыр для преобразования массы в энергию, используя гравитационную энергию связи. Этот эффект дает около 6% для невращающейся черной дыры и 42% для вращающейся.

Во время ядерного синтеза четырех атомов водорода с одним атомом гелия 0,7% массы преобразуется в энергию. При сжигании тонны угля ~ 910 кг высвобождается 22 гигаджоуля (22 E9) энергии. Из E=mC^2 масса, преобразованная в энергию, составляет 2,44 x 10^-7 кг. Разделив на 910 кг, процент массы, преобразованной в энергию, составит 2,7 x 10^-10 или 0,000000027%. Это настолько мало, что химики используют 0 для значения.