特木电气

1公斤煤比1公斤纸燃烧剩下的灰烬重,但为什么煤产生的热量比纸多?这些热量从何而来?

  简单来说,煤炭的热值或者说燃烧值高于纸,标准煤的燃烧值为2.93×10^7焦耳/千克(即7000千卡/焦耳),而普通纸的燃烧值约为1.35×10^7焦耳/千克。因此,同样燃烧一公斤,标准煤所释放出的能量大约是纸的2倍。

  从化学角度来看,物质的燃烧是氧化还原反应,化学键会发生重组,不稳定并且内能较高、键能较低的物质将会转变为稳定并且内能较低、键能较高的物质,由此会释放出能量。如果要说这些化学燃料的热量来源,它们最初都是来自于地球上的有机物,而有机物直接或者间接地从太阳那里获得能量,所以太阳能是最初的能量之源。

  另外,同样质量的核燃料发生核反应所放出的能量要远高于化学燃烧。燃烧是化学能,其能量释放非常有限。而核反应是核能,其能量来自于质能转换,只要一点点的质量转换成能量,就能释放出巨大的能量。例如,一公斤铀-235发生核裂变反应所释放出的能量可达8.21×10^13焦耳,这相当于2800吨的标准煤燃烧之后所产生的能量。

  但与核聚变反应相比,核裂变反应的质能转换效率相对较低,核聚变的效率是核裂变的四倍,太阳以及其他恒星的能量来源就是氢核聚变。

  用科学的方法解释,就是煤的热值比纸高;用通俗的方法解释,就是纸的成分已经含有一部分氧元素。

  化学反应的能量来自化学键,重构化学键的过程伴随着吸热或者放热现象,燃烧的放热量就是热值。

  燃烧是氧化反应,也就是元素与氧的结合。碳可以先结合一部分氧气生成一氧化碳释放热量,一氧化碳再结合氧气生成二氧化碳继续释放热量。这两个过程释放的热量总和,等于碳直接生成二氧化碳释放的热量。

  纸的原料是纤维素,也叫“碳水化合物”,包含碳氢氧三种元素。因为其中已经包含氧元素,可以通俗地理解成“纸已经燃烧了一部分”。煤相当于碳,而纸相当于中间产物一氧化碳,所以燃烧煤释放的热量比纸多。

  简单的说,成分不同,不可比。煤就是碳,C,燃烧全都生成二氧化碳。纤维素是多糖类,所含碳元素已经有一部分与氧成键了,只剩一部分能成新的碳氧键,因此两者相比,煤生成更多碳氧键,就放出更多的热,热值也就更高。

  有人说,燃烧反应是电子得失,热核反应是质能转换。就能量守恒,这个说法是不相容的。

  空口说白话,不行。分析它们的反应方程式,然后适当加计算,可以了解一个大致。

  ①干木柴 1.2×10? ,②烟煤 2.9×10?, ③无烟煤 3.4×10?,④ 焦炭 3.0×10?, ⑤木炭 3.4×10? ,⑥酒精 3.0×10?,⑦柴油 3.3×10?,⑧ 煤油 4.6×10? ,⑨汽油 4.7×10?,⑩ 氢 1.4×10?。

  干木柴或纸张,可以看成纤维素。木炭与无烟煤,可以近似作为碳,符合题意。纤维素分子式为(C?H??O?)?,碳晶体分子式简写成C?。

  纤维素的分子质量:m=162×1.66e-27=2.7×10?2?[kg]。

  1千克纤维素的分子数:n=3.7×102?个,1个分子燃烧值:Q=3.24×10?1?[J]=2eV。

  1个纤维素分子的燃烧反应方程式,可以写成:C?H??O?+6O?=6CO?+5H?O+Q(3.24×10?1?J)。

  这是一个分解反应。左右两边的质量守恒,但能量不守恒。那么这个多出的Q从何而来?

  显然,纤维素分子中的氢原子与碳原子之间的氢键(H-bond)断裂,结合能Eb被释放出来。

  结合能Eb一部分供给CO?与H?O的结合能,一部分释放为热能Q。因此能量也是守恒的。

  氢键是什么?应该是氢原子活泼的价电子与碳原子的价电子之间的交联。

  那么,几个价电子相互交联,为什么具有很强的吸引力呢?是什么介质承载了这个结合能?

  根据爱派量子论,电子属于德布鲁伊物质波,是激发真空引力场的光子介质的移动波源。

  假设,1个价电子的1次震荡动能激出发第1波阵面的1个光子动能,有:Ek=?mv2=hc/λ。

  该光子的波长:λ=2hc/mv2...(1)。假定1个光子的固有质量规定为1个电子质量,对应的真空场引力:F=mc2/r...(2),光子半径:r=λ/2π。

  将(1)代入(2):F=GEk (=?mv2)...(3),规定光子引力常数为:G=πcm/h=1.29×1012...(4)。

  公式(3)的物理意义:价电子震荡速度少许加快,原子或分子内空间的场引力显著加大。

  C-H的价电子,由于受到碳原子与氢原子的叠加作用,震荡速度大于氢电子震荡速度。

  可见,方程左边的纤维素分子内的光子数及其承载的总能量=方程右边的光子数与总能量。

  其燃烧反应方程:C+O?=CO?+Q。其中,1个碳原子分摊的燃烧值Q可估算如下。

  1kg碳原子的燃烧值为3×10?J,1个碳原子质量:m=12×1.66×10?2?=2×10?2?[kg],1kg碳原子个数n=1÷m=5×102?个,1个碳原子的燃烧值:Q=3×10?÷5×102?=6×10?1?[J]。

  C-C共价键之价电子的震荡速度,由于有较多核子引力场的叠加作用,明显大于C-H之氢键。进而其燃烧反应所释放的结合能要大得多,为3÷1.2=2.5倍。

  方程两边的质量与能量守恒的原理,与纤维素燃烧反应的原理是同一个逻辑,不再赘述。

  以下是笔者早先时候在头条发表的内容摘要,此次稍加整理,分享如下。

  例1:氘+氚→?氦+中子,能量守恒!

  D(pn)+T(pnn)→He(pnpn,3.52)+n(14.06)

  在高温压下,首先是氚原子发生核裂变,分裂出1个中子,同时相应的释放氚原子的结合能3.52+14.06=17.58MeV的总结合能,然后发生核聚变。能量分配:3.52MeV是氦核的结合能,14.06MeV是核反应的放热能。 显然:方程两边的质量与能量分别守恒。

  例2:氘+氘→氚+质子,能量守恒!

  D(pn)+D(pn)→T(pnn,1.01)+p(3.03)

  在高温压下,首先是氘原子发生核裂变,分裂出1个质子,同时相应的释放氚原子的结合能1.01+3.03=4.04MeV的总结合能,然后发生核聚变。能量分配:1.01MeV是氚原子的结合能,3.03MeV是核反应的放热能。 显然:方程两边的质量与能量分别守恒。

  例3:氘+氘→3氚+中子,能量守恒!

  D(pn)+D(pn)→3He(ppn,0.82)+n(2.45)

  在高温压下,首先是氚原子发生核裂变,分裂出1个中子,同时相应的释放氚原子的结合能0.82+2.45=3.27MeV的总结合能,然后发生核聚变。能量分配:0.82MeV是氦3的结合能,2.45MeV是核反应的放热能。 显然:方程两边的质量与能量分别守恒。

  例4:氘+3氦→?氦+质子,能量守恒!

  D(pn)+3He(ppn)→He(pnpn,3.67)+p(14.6 ) 在高温压下,首先是氚原子发生核裂变,分裂出1个质子,同时相应的释放氚原子的结合能3.67+14.6=18.27MeV的能量,然后发生核聚变。

  能量分配:3.67MeV是氦核的结合能。14.6 MeV 是核反应的放热能。 显然:方程两边的质量与能量分别守恒。

  结论: 在高温压条件下,核聚变反应,总是存在: 首先是1个反应物进行核裂变,释放1个核子,同时释放该反应物的结合能。 然后进行核聚变。所释放的总结合能,一部分作为新原子核的结合能,另一部分作为核聚变所释放的核反应能。

  由此可见,核反应方程的左右两边的质量与能量分别守恒,不存在所谓的质能转换。

  由于洛伦兹变换因子是假定光子是波源发射出来的,而实际是场介质固有的,因此构造函数γ=1/√(1-v2/c2)是不成立的,进而质能转换方程E=mc2也不成立。

  好了,本答stop here。请关注物理新视野,共同切磋物理逻辑与中英双语的疑难问题。

  热值跟灰有啥关系?

  它们燃烧产生热量主要靠碳C+氧气O2反应生成二气化碳CO2,所以我们看同样重量的煤碳和纸的含碳元素量对比……

  煤炭的主要成分就是碳!纸张成份是有机物……里面占一半重量的是氧、不会燃烧产生热能!

  所以:相同重量的煤炭比纸张燃烧热能高多了……

  

1公斤煤比1公斤纸燃烧剩下的灰烬重,但为什么煤产生的热量比纸多?这些热量从何而来?

  

1公斤煤比1公斤纸燃烧剩下的灰烬重,但为什么煤产生的热量比纸多?这些热量从何而来?

  

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