物質不滅定律 物質不滅定律

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本文基於回答網友類似問題：10斤煤燃燒後大概隻剩1斤灰，那9斤物質去哪裏了？

要說清楚這個問題，必須從質量守恒說起。

從質量守恒到質能守恒

在18世紀，法國化學家拉瓦錫通過實驗，推翻了所謂燃素說，就建立了物質不滅質量守恒的理論，就是說，在一個封閉孤立係統，物質不論如何變化，其總質量是不變的。

後來，許多化學家做了大量精確度極高的實驗，不斷驗證了實驗前後物質質量的一致，變化小於一千萬分之一，這在實驗誤差允許範圍之內，因此嚴格證明了物質不滅定律，即質量在任何變化中前後是守恒的，包括：物理變化質量守恒、化學變化質量守恒、核反應變化質量守恒。

後來，愛因斯坦發現了物質質量是隨著運動變化而變化的，速度越快動質量會越大，而推動物質改變其運動狀態需要能量，這樣，就發現了質量和能量的統一，由此推演出了偉大的質能方程，簡單表述為：E=MC^2。

這裏的E表示能量，M表示質量，C表示光速。這個方程的重大意義在於，質量和能量是等價的，任何物體質量全部轉化為能量，同等質量都是一樣多的，不管是金子還是白菜都一樣，都是質量乘以光速的平方。

光速是我們世界最快的速度，真空光速約30萬km/s（千米/秒）。這就說明，質量裏麵蘊含的能量十分巨大。但要把這些能量全部擠壓出來，條件十分苛刻，很難做到。

現在我們人類掌握質能轉換技術最先進的是核聚變，轉換率隻能達到約0.7%。現在還隻是掌握了不可控核聚變，也就是氫彈爆炸；可控核聚變還在實驗中，也就是讓這種聚變緩慢釋放，這樣就可以作為發電、動力等能源，造福社會。而現在的核發電是采用核裂變技術，質能轉換率隻有約0.1%。

化石燃料利用主要通過化學反應方式

數百年來，人類利用最大的能源是化石能源，如煤炭、石油等。化石能源是通過開采化石燃料，通過燃燒取得其能源。

燃燒是一種化學反應，其質能轉化率是極低的。各種化石燃料通過燃燒可得到的發熱量約為：1kg原煤約20934000J（焦耳）；1kg石油原油約41868000J；1kg汽油為43124000J；1kg柴油約42705000J。

這個轉化率有多大呢？我們根據愛因斯坦質能方程公式E=MC^2計算，1kg質量完全轉化可得到9*10^16J的能量，即9億億焦耳，相當250億度電能。與之相比，化石燃料得到的質能轉化率隻有：原煤的質能轉化率約為0.00000002326%，也就是約百億分之2.326；石油原油的質能轉化率約0.00000004652%；汽油隻能轉化率約0.00000004792%；柴油轉化率約0.00000004745%。

因此化石燃料在燃燒後轉化為其他物質質量的計算中，能量所占的比重是極小的，可以忽略不計。這就是在以往質量守恒實驗中，實驗前後質量基本一致的原因，而實驗過程作為能量損失掉的質量完全可以忽略不計，因為損失的量遠遠小於一千萬分之一。

煤燃燒後會變成什麽呢？

煤的成分是很複雜的，不同煤礦出產的煤熱能也是不一樣的，因此國家在衡量能源消耗時為了方便統計，采用的是以標準煤為單位，即不管哪裏產的煤，都要折合成標準煤計算。1kg標準煤的熱能定義為7000大卡（千卡），1大卡約等於4186J ，這樣1kg標準煤的熱能就約為29302000J。

煤的主要成分大致有：碳、氫、氧、氮、硫等，還有磷、氟、氯、砷、鈹、鉛、硼、鎘、汞、硒、鉻等，燃燒過程產生熱量的主要是碳和氫，氧是助燃元素，氮不產生熱量，而硫、磷、氟、氯、砷等是有害元素。

不同地方出產的煤成分都不一樣，因此煤燃燒後留下的灰分也就不一致，有的多點，有的少點。煤的燃燒也是一個複雜過程，但簡化之，其化學反應過程主要遵循如下公式：

1、C+O2=(點燃)CO2↑

2、2C+O2=（高溫）2CO↑（不完全燃燒時發生）

3、CO2+C=（高溫）2CO↑

4、2CO+O2=(點燃）2CO2↑

5、H2O+C=(高溫）CO↑+H2↑

6、2H2+O2=（點燃）H2O

從這些反應式，我們可以看到，在煤燃燒過程中，最大的需要就是氧。沒有氧，煤是無法燃燒的，這一點我們從平時的生活經驗中都可以看到：不管是家裏生的煤爐子，還是工廠的鍋爐，都需要大量的空氣參與燃燒，這樣煤才能充分燃燒釋放出能量。

而煤燃燒後主要變成了兩樣東西，一種就是所謂的灰分，這就是煤本身不純潔，裏麵有一些通過燃燒不能分解揮發的東西，如氧化矽、氧化鋁、氧化鐵等；而燃燒後的主要物質就是二氧化碳，除此之外還有一些水蒸氣、硫化物、氫氧化物等等，這些玩意沒一樣好東西，都是汙染物。

1kg煤燃燒後轉變成其他物質總質量還是1kg嗎？

可能有人會說，根據質量守恒定律，燃燒1公斤煤，除了10%的灰分（煤渣），還會變成90%的其他物質。這種算法是錯誤的，而且大錯特錯。

根據專家以火力發電為參考，計算節能減排效果時的數據認為：每節省1度電，就相應節省了0.4kg標準煤，同時減少汙染排放：碳粉塵為0.272kg、二氧化碳為0.997kg、二氧化硫為0.03kg、氮氧化物為0.015kg。

按照這個數據折算，1kg標準煤燃燒，可以產生0.68kg的碳粉塵，2.4925kg的二氧化碳，0.075kg的二氧化硫，0.0375kg的氮氧化物。這其中沒有提到煤渣（灰分），不要錯以為那個碳粉塵就是灰分，其實那是飄散在空氣中的PM2.5汙染顆粒物。而根據煤的品質，灰分有多有少，一般都在28%左右。

這樣我們可以得出，1kg煤燒出了2.953kg物質，近三倍。

那麽這是否就違反了質量守恒定律呢？

不是的，我們通過1噸標準煤燃燒後得到約2.953噸物質，說明1噸煤在燃燒過程中，有其質量1.953倍的空氣（主要是氧氣）參與了燃燒過程的化學反應，變成了其他物質（主要是二氧化碳）排到了大氣中。

至於1噸標準煤可以產生29302000000J的能量，隻相當0.00000000033噸，也就是約0.0003g（克）質量轉換的能量，因此，在質量守恒的計算裏實在可以忽略不計。

因此，所謂10斤煤燃燒後，並非隻有1斤灰，也並非隻有9斤其他物質，而是通過化學反應，大量空氣參與，得到了29.53斤的物質，其中主要成分是二氧化碳，而灰分則有2.8斤。由此可見，用煤燃燒作為能源的汙染是非常嚴重的，是當前地球形成溫室氣體的主要來源。

如此下去，地球生態將持續惡化，越來越不宜居。隻有大力開發利用清潔能源，大量減少煤炭使用，減少碳排放，才能讓人類的子孫後代長期繁衍。而且要從現在做起，從每個人自身做起，低碳生活綠色出行，才能夠真正收到實效。

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