首页 > 分享 > 木材燃烧变为灰烬，损失的重量去哪里了？

木材燃烧变为灰烬，损失的重量去哪里了？

花匠小妙招
2025-01-18 09:58

大家应该都对质量守恒定律和能量守恒定律耳熟能详，无论是质量还是能量，在一个完全封闭的系统内，它们在进行化学反应的过程中，反应前后无论物质形态发生何种变化，其质量或者能量始终保持一下恒定的状态，这两个守恒定律是支撑近现代物理体系大厦的重要基石。

爱因斯坦在提出狭义相对论以后，根据洛伦兹变换，推导出了著名的质增方程，即物体在运动状态下，其运动质量会随着运动速度的变化而变化，其运动质量与静止质量之间的关系为：m=m0/(1-v^2/c^2)^(1/2)，在绘制出质量和运动速度的曲线之后，我们可以发现，当物体运动速度较低时，运动质量的增大变不明显；而当运动速度不断增加接近光速时，则物体运动质量会呈指数级增长趋势。

随后，爱因斯坦又在质增方程的基础上，结合动能定理和动量定理，推导出物体在不同的惯性参照系条件下，所具有的能量与质量变化之间的关系，这就是另一个著名的方程－质能方程，即E＝(m-m0)*c^2，而物体质量与能量之间的对应关系，可以用关系式E=m*c^2来表达，这个关系式将物体的质量与能量进行了统一，也就是说一个物体可以用质量来进行表达，也可以用能量进行表达，二者在本质上是没有区别。不过，爱因斯坦发现质能方程式，并不知道原子核中能够蕴含很大的能量，这个方程想表达的也只是质能的对应关系，而不是转化关系。

随着对原子特别是原子核研究的逐步深入，科学家们发现在利用中子来轰击重核元素时，会发现重核元素会通过核裂变的方式转化为原子序数较小的新元素，在此过程中释放大量的能量。然而科学家们在做这样的实验时，发现反应前后的总质量无论如何都不能保持一致，以玻尔为代表的一些科学家一度认为质量守恒是不准确的。当时，有另外一些科学家想到应用质能方程来解释这个问题，认为应该是某种监测不到的物质，携带着一定的能量释放出去了，能量的损失也就决定了反应前后质量的亏损，最终捍卫了守恒定律。

常见的木材燃烧是一个典型的化学反应，更确切地说是一种氧化还原反应。物质的燃烧需要三个基本条件，即可燃物、助燃剂（氧气）、达到燃点。干燥的木材主要组成为木质素、纤维素和半纤维素，这些组成物质都是可燃物，当反应系统中的氧气浓度达到一定水平后，通过火源加热木材，达到燃点之后就能够实现燃烧。

从元素构成来看，木材中占比最多的是碳元素，其次为氧，然后为氢，另外还有不到1%的“杂质”以及0.5%左右的氮元素。对于占比最多的碳来说，其与氧气发生燃烧以后，根据燃烧的充分程度，其产物为二氧化碳或者一氧化碳；碳氢化合物中的氢，则在燃烧过程中形成水，在高温下以水蒸气的形式释放出去；木材中的氧元素与氧气一起，成为最终产物二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等物质中氧元素的来源，同时也成为燃烧产物灰烬（以无机盐为主）的重要来源。

如果在一个完全密闭的系统里，对反应前的木材和空气进行称重，燃烧完全以后再称量剩余物质的重量，可以发现反应前后的总质量基本保持不变。我们在露天的环境中观察木材燃烧，之所以感觉前后重量变化明显，主要在于通过燃烧之后，所产生的大量二氧化碳、一氧化碳以及少量的水蒸气、氮氧化物、硫氧化物等均以气体的形式散逸出去了，还有一部分在不完全燃烧产生了烟尘飘散出去了，因此只留下少部分的灰烬。

刚才提到了燃烧前后物质总质量基本相等，为什么用“基本”而不用完全，这不是实验误差造成的，而是确确实实有微弱的差别，而这个差别靠仪器则很难精确测量出来，这个变化过程需要用质能守恒定律来进行解释。爱因斯坦的质能方程，所表达的是物体质量和能量的对应关系，说白了就是质量等同于能量，能量等同于质量，但并不代表有多少质量就可以转化为相应的能量，也不代表有多少能量能够转化回来多少质量。

在木材的燃烧过程中，会释放出光和热，光和热的产生就是能量释放的表现。从质能守恒定律出发，我们可以判断出，在一个完全封闭系统内，反应前木材和空气的总质量，应该等于反应后新生成物质、残留物质的总质量加上释放出能量所对应的质量之和，也就是说释放出去的能量是由反应前物质的静止质量所提供的，而释放出去的能量，我们则无法通过重量的计量仪器进行直接观测。

只不过，由于化学反应释放能量所造成的质量损失，远远不及由核裂变或者核聚变明显，因此释放的能量也不可能是一个数量级。比如1吨木材，所产生的热量值为1.2*10^10焦耳，它所对应的质量损失仅1.3*10^(-7)克，再精确的天平估计也测不出来这种差异吧。