充电后电池的质量会发生变化吗?

充电后电池的质量会发生变化吗?

这个和互联网数据的重量都是经常争论的话题。

理论上来说,充电后电池的质量应该会增加,虽然微乎其微。

很多人说充电过程是化学反应,没有发生质能转换过程,因此遵守质量守恒,质量不会发生变化。
这个答案要是放在中学,是正确的。但是正是因为被填鸭式教育洗脑太深,这个认识是肤浅的。

化学反应不严格遵守质量守恒。
严格的议题应该是:化学反应前后,反应物的质量不遵守质量守恒。
(这肯定会和很多人的认识冲突,中学化学教学说前后质量守恒只是从实用角度出发)

能量也是有质量的。
严格的议题应该是:能量会对系统产生质量贡献。
(肯定也会人迷糊)

首先从非化学的核反应说起。
大家都知道核裂变/核聚变/湮灭都会造成质量亏损,而且这个质量亏损是可以量度的。
亏损部分的质量转化为能量,整个过程遵守质能守恒。
一个不和外界发生质能交换的封闭系统,系统内部发生了核裂变,或者更极端一点,如正负电子湮灭,
系统内部的物质质量是减少了,但整个系统放到天平上称,就会发生变化了?
显然封闭系统的整体质量不会发生变化。封闭系统内的能量(γ光子)对系统的质量贡献弥补了物质质量减少的部分。
(具体可以参阅光子维基词条 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%AD%90)
光子具有动质量。

很多人不理解化学能的真正本质。
化学能释放的本质是伴随化学键重组电子从高能态轨道向低能态轨道跃迁产生的光子辐射。
化学能存储是其逆过程。电子在高能态轨道时的系统质量比在低能态轨道时大。

当2个氢分子和一个氧分子发生反应生成2个水分子,氢原子核还是那些氢原子核,氧原子核也还是那些氧原子核,
电子既不增多,也没有减少,只是电子的能态已经发生了变化,所在轨道也和反应前大不相同。
但由于辐射出光子,这个非封闭系统的质量已经减轻。这个质量变化数值非常非常微小,只存在于理论上,真实设备测不出来。

因此,化学反应前后,反应物的质量不遵守质量守恒。

说到底,物质的质量不单止是原子核和电子静质量的简单叠加,还包括原子核和核外电子的能量关系所产生的质量。
(同样道理,原子核质量不是质子和中子质量的简单叠加,质子/中子质量也不是夸克质量的简单叠加。越靠近物质本源,度量上质量不足就越可观)

回到电池充电。
电池充电后电池内部的电子数量并不会增加!(认为电子数量增加的认识是错误的,电池不是电容器)
电池充电后电池内部的原子核还是那些原子核,电子数量也没变化,但因为电子的能级发生了变化(具体表现在化学键上),
电池的蕴涵能量增加,理论上电池增加了这份能量对应的质量。具体可由质能方程计算出来。

一个2000mAh的1.2v电池,可以2A电流,1.2v电压,持续放电一小时,
因此简单的可以认为充满电后电池增加能量:2×1.2×3600=8640(J)
对应的质量增加:8640/(3×10^8)^2 = (8640/9)x10^(-16) = 9.6×10^(-14)(kg)

2013年1月17日 | 归档于 私语
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