Wie wird Masse in einer normalen chemischen Reaktion reduziert, die Energie wie Wärme, Schall oder Licht freisetzt?

Tatsächlich können chemische Reaktionen genauso wie Kernreaktionen Masse reduzieren. Es fällt mir schwer zu akzeptieren, aber es ist wahr.

Wenn die Moleküle im Dynamit explodieren, werden Bindungen zwischen Atomen aufgebrochen und in verschiedenen Konfigurationen neu gebildet. Das Ergebnis davon ist, dass die elektrische potentielle Nettoenergie in den resultierenden Molekülen geringer ist als die elektrische potentielle Energie des ursprünglichen Sticks. Jetzt kommt der coole Teil – das heißt, es hat weniger Masse. Wie buchstäblich weniger Masse. Wenn Sie beispielsweise Wärme, Licht und Schall abführen lassen und alle Reaktionsprodukte äußerst sorgfältig sammeln und wiegen (was in der Praxis natürlich unmöglich ist), würde er ein kleines bisschen weniger wiegen als der ursprüngliche Stick.

Ich finde es hilfreich, an ein einfacheres Beispiel zu denken. Nehmen Sie zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Erlaube ihnen, ineinander zu laufen. Ihre Elektronenorbitale verschmelzen und hybridisieren. Wenn sich ihre Elektronen in ihrem neuen, gemeinsamen Zustand mit niedrigerer Energie niederlassen, setzen sie Photonen frei. Diese Photonen entziehen den Atomen Energie und damit Masse. Das Ergebnis$\mathrm{H_2O}$Molekül wiegt buchstäblich weniger als die zwei Wasserstoffe und ein Sauerstoff zuvor.

Seltsam!

Die chemische Energie im Dynamit wird in Wärme, Licht und Schall umgewandelt.

Diese chemische Energie ist gebundene Energie. Die Hitze, das Licht und der Ton, die entstehen, wenn diese chemische Energie freigesetzt wird, sind ungebundene Energie. Ein anderer Name für gebundene Energie in der Physik ist Masse. Sie haben sicherlich gelesen, dass Kernreaktionen Masse in Energie umwandeln. Eine alternative Ansicht: Masse wird nicht in Energie umgewandelt, weil Masse bereits Energie ist. Masse ist nur eine andere Form von Energie, genauso wie Wärme, Licht und Schall Energieformen sind.

Entwicklungen in der Quantenmechanik veranlassten Physiker, die unterschiedlichen Begriffe Massenerhaltung und Energieerhaltung zu überdenken. Die Masse bleibt definitiv nicht erhalten, wenn sich ein Proton und ein Antiproton gegenseitig vernichten, noch ist Energie in den älteren Vorstellungen davon, was Energie ausmacht. Die neue Vorstellung (eigentlich nicht mehr so ​​neu) ist, dass die Energieerhaltung die Masse als Energieform einschließt.

Die Vernichtung habe ich oben erwähnt. Die Masse bleibt auch nicht erhalten, wenn sich vier Protonen über eine Reihe von Reaktionen zu Helium verbinden (aber Energie oder Masse + Energie bleibt erhalten). Was ist mit chemischen Reaktionen wie einer Dynamitstange, die explodiert? Das gleiche gilt. Der einzige Unterschied zwischen dieser Dynamitstange und einem Vernichtungsereignis ist die Menge an freigesetzter Energie. Bei beiden Reaktionen wird ungebundene Energie freigesetzt, also muss zwangsläufig gebundene Energie ("Masse") abnehmen.

Die Masse scheint bei chemischen Reaktionen erhalten zu bleiben, weil das Teilen der bei einer chemischen Reaktion freigesetzten Energiemengen durch die Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat eine unermesslich kleine Menge an Masse ergibt. Der Unterschied ist einer von „in der Praxis“ versus „im Prinzip“. In der Praxis sind die Massenänderungen in chemischen Systemen zu klein, um sie zu messen. Grundsätzlich ändert sich die Masse.

Die chemische Energie macht einen kleinen Teil der Masse der Dynamitstange aus.$E=mc^2$gilt nicht nur für Kernreaktionen! Kernreaktionen sind die archetypische Art, die Gleichung zu "verifizieren", allerdings im populären physikalischen Sinne. (Nur etwa <0,7 % der Masse können in einem nuklearen Prozess in Energie umgewandelt werden. Ich weiß, dass 0,7 % der Wert für die Fusion ist, die Spaltung sollte geringer sein.) (Eigentlich schlug Einstein vor, Radiumsalze vor und nach einem nuklearen Zerfall zu massieren 1905, lange vor der Spaltung.) Es gibt viele andere Möglichkeiten zu sehen$E=mc^2$in Aktion. Hier sind ein paar (einschließlich Ihres Beispiels):

1) Chemische Bindungen. Was wir normalerweise unter chemischer Energie verstehen, ist in den chemischen Bindungen zwischen Molekülen usw. enthalten. Das ist Energie, und so weiter$E=mc^2$kann als Teil der Masse des chemischen Systems realisiert werden. Wenn also die Bindungen gebrochen und in einer Dynamitexplosion gebildet werden, geht ein Teil dieser Masse als Strahlungsenergie (Infrarotstrahlung, dh Wärme) verloren.

2) Gluonen. Das ist wirklich interessant, zumindest für mich. Sie haben sicher schon vom Higgs-Boson und dem Higgs-Mechanismus gehört. In der Populärliteratur wird ihm nachgesagt, allen Dingen Masse zu verleihen. Aber das Interessante ist, dass, wenn Sie sich die Masse eines Protons (~938 MeV) und die Massen der zwei Up-Quarks und des einen Down-Quarks (jeweils ~4 MeV) ansehen, wir eine RIESIGE Ungleichheit sehen! Wo ist die zusätzliche Masse? Hier$E=mc^2$und Quantenmechanik kommen zusammen, um uns zu sagen, dass es im Proton tatsächlich ein Meer von virtuellen Quark-Antiquark-Paaren und Gluonen gibt. (Dies wird das dynamische Modell des Nukleons genannt). Die in allen Gluonen und virtuellen Quarks enthaltene Energie macht 99 % der Masse des Protons aus.

3) Gravitationsstrahlung. Dies erfordert ein gewisses Verständnis der Allgemeinen Relativitätstheorie. In einem binären System ist das Quadrupolmoment ungleich Null. Daher sendet das System Gravitationswellen aus. Diese Wellen haben Energie, also sollte die Masse des Systems abnehmen. Dies entspricht einer Erhöhung der Rotationsfrequenz des Systems. Dieser Effekt wurde mit sehr hoher Genauigkeit gemessen (keine Zahlen aus dem Kopf).

4) Akkretions-Tori. Wir können Akkretions-Tori um Schwarze Löcher herum verwenden, um Masse in Energie umzuwandeln, indem wir die Gravitationsbindungsenergie ausnutzen. Dieser Effekt ergibt etwa 6 % für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch und 42 % für ein rotierendes.

Bei der Kernfusion von vier Wasserstoffatomen zu einem einzigen Heliumatom werden 0,7 % der Masse in Energie umgewandelt. Das Verbrennen einer Tonne Kohle ~ 910 KG setzt 22 Gigajoule (22 E9) Energie frei. Aus E=mC^2 beträgt die in Energie umgewandelte Masse 2,44 x 10^-7 Kg. Dividiert durch 910 kg beträgt der Prozentsatz der in Energie umgewandelten Masse 2,7 x 10^-10 oder 0,000000027 %. Dies ist so klein, dass Chemiker 0 für den Wert verwenden.