¿Cómo se reduce la masa en una reacción química normal que libera energía como calor, sonido o luz?

De hecho, las reacciones químicas pueden reducir la masa al igual que las reacciones nucleares. Me cuesta aceptarlo, pero es verdad.

Cuando las moléculas de la dinamita explotan, los enlaces entre los átomos se rompen y se reforman en diferentes configuraciones. El resultado de esto es que la energía potencial eléctrica neta en las moléculas resultantes es menor que la energía potencial eléctrica del palo original. Ahora aquí está la parte interesante: eso significa que tiene menos masa. Como, literalmente, menos masa. Por ejemplo, si dejas que el calor, la luz y el sonido se disipen, y con mucho cuidado recolectas y pesas todos los productos de reacción (imposible en la práctica, por supuesto), pesaría un poco menos que el palo original.

Encuentro útil pensar en un ejemplo más simple. Tome dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Permita que se crucen entre sí. Sus orbitales electrónicos se fusionan e hibridan. A medida que sus electrones se asientan en su nuevo estado compartido de menor energía, liberan fotones. Estos fotones se llevan energía, y por lo tanto masa, de los átomos. La resultante$\mathrm{H_2O}$La molécula pesa literalmente menos que los dos hidrógenos y un oxígeno de antemano.

¡Extraño!

La energía química de la dinamita se convierte en calor, luz y sonido.

Esa energía química es energía ligada. El calor, la luz y el sonido que se crean cuando se libera esa energía química son energía libre. Otro nombre para la energía ligada en física es masa. Seguro que has leído que las reacciones nucleares convierten la masa en energía. Una vista alternativa: la masa no se convierte en energía porque la masa ya es energía. La masa es solo otra forma de energía, así como el calor, la luz y el sonido son formas de energía.

Los avances en la mecánica cuántica hicieron que los físicos revisaran las distintas nociones de conservación de la masa y conservación de la energía. Definitivamente, la masa no se conserva cuando un protón y un antiprotón se aniquilan entre sí, ni tampoco la energía en las nociones más antiguas de lo que constituye la energía. La nueva noción (en realidad ya no tan nueva) es que la conservación de la energía incluye la masa como una forma de energía.

Mencioné la aniquilación arriba. La masa tampoco se conserva cuando cuatro protones se combinan mediante una serie de reacciones para formar helio (pero se conserva la energía, o masa+energía). ¿Qué pasa con las reacciones químicas, como la explosión de un cartucho de dinamita? Lo mismo aplica. La única diferencia entre ese cartucho de dinamita y un evento de aniquilación es la cantidad de energía liberada. Ambas reacciones liberan energía no ligada, por lo que la energía ligada ("masa") necesariamente debe disminuir.

La masa parece conservarse en las reacciones químicas porque al dividir las cantidades de energía liberada en una reacción química por la velocidad de la luz al cuadrado, se obtiene una cantidad de masa inmensamente pequeña. La diferencia es una de "en la práctica" frente a "en principio". En la práctica, los cambios de masa en los sistemas químicos son demasiado pequeños para medirlos. En principio, la masa cambia.

La energía química constituye una pequeña porción de la masa del cartucho de dinamita.$E=mc^2$¡No se aplica solo a las reacciones nucleares! Las reacciones nucleares son la forma arquetípica de "verificar" la ecuación, aunque en un sentido de física popular. (Solo alrededor de <0.7% de la masa puede convertirse en energía en un proceso nuclear. Sé que 0.7% es el valor para la fusión, la fisión debería ser menor). (En realidad, Einstein propuso concentrar sales de radio antes y después de alguna descomposición nuclear en 1905, mucho antes de la fisión.) Hay muchas otras formas de ver$E=mc^2$en acción. Aquí hay algunos (incluido su ejemplo):

1) Enlaces químicos. Lo que solemos pensar de la energía química está contenido en los enlaces químicos entre moléculas, etc. Esto es energía, y por$E=mc^2$se puede realizar como parte de la masa del sistema químico. Entonces, cuando los enlaces se rompen y se forman en una explosión de dinamita, parte de esa masa se pierde como energía radiante (radiación infrarroja, es decir, calor).

2) Gluones. Esto es muy interesante, al menos para mí. Estoy seguro de que has oído hablar del bosón de Higgs y del mecanismo de Higgs. En la literatura popular se dice que da masa a todas las cosas. Pero lo interesante es que si observa la masa de un protón (~ 938 MeV) y las masas de los 2 quarks ascendentes constituyentes y el quark descendente (cada uno ~ 4 MeV), ¡vemos una ENORME disparidad! ¿Dónde está la masa extra? Aquí$E=mc^2$y la mecánica cuántica se juntan para decirnos que en el protón hay en realidad un mar de pares de quarks-antiquarks y gluones virtuales. (Esto se llama el modelo dinámico del nucleón). La energía contenida en todos los gluones y quarks virtuales constituye el 99% de la masa del protón.

3) Radiación gravitatoria. Esto requiere cierta comprensión de la relatividad general. En un sistema binario, el momento cuadripolar es distinto de cero. Por lo tanto, el sistema emite ondas gravitacionales. Esas ondas tienen energía, por lo que la masa del sistema debería disminuir. Esto corresponde a un aumento en la frecuencia de rotación del sistema. Este efecto se ha medido con un grado muy alto de precisión (sin números en la parte superior de mi cabeza).

4) Toros de acreción. Podemos utilizar toros de acreción alrededor de los agujeros negros para convertir la masa en energía explotando la energía de enlace gravitacional. Este efecto da alrededor del 6 % para un agujero negro que no gira y del 42 % para uno que gira.

Durante la fusión nuclear de cuatro átomos de hidrógeno en un solo átomo de helio, el 7% de la masa se convierte en energía. Quemar una tonelada de carbón ~ 910 KG libera 22 gigajulios (22 E9) de energía. De E=mC^2, la masa convertida en energía es 2,44 x 10^-7 Kg. Dividiendo por 910 Kg, el porcentaje de masa convertida en energía es 2,7 x 10^-10 o 0,000000027%. Esto es tan pequeño que los químicos usan 0 para el valor.