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從宇宙的定律看環境的變遷:(一) 量的變化
2010/04/14 15:31:09瀏覽1189|回應0|推薦12

前言:近數十年全球環境與氣候出現巨大或反常的變化,如許多野生動植物瀕臨絕種、臭氧層破洞、熱帶雨林減少、沙漠化持續擴大、酷冷、酷熱、超大豪雨、超大颶風、兩極冰河快速消失、全球溫升等事件在全球各地發生,且發生的頻率越來越高,這些極端的事件正加速威脅著地球與其生態環境。本系列將從幾個主宰大自然的宇宙定律,以通俗的語句與簡易的公式來說明事物量的變化、事物變化的方向性、亂度與平衡狀態等問題,並兼述此等現象與人類文明進化對生態環境可能產生的衝擊,及對人類行為可能產生的啟示與反思。

本文:「質量不滅」與「能量不滅」為諸多宇宙定律(Universal Laws)中的兩個基本定律,這在國中以上的物理、化學課程都有講到。其中的「能量不滅」定律,又稱作「熱力學第一定律」。「不滅」並不是指物質不會改變,相反的物質可以轉換,而且還可以千變萬化,但前後的總量是不變的。如以符號F表示物質或系統的某一個總量(如質量或能量),則不滅定律可用等號來表式,如下:

      F = F

                      ΔF = F後-F = 0  …… (公式1)

上式中,F表示F前後的變化量。因為可以用等號來表示,所以不滅定律又稱作守恆定律。若從化學反應的觀點來看,「質量不滅」就是任一原子反應前後的質量是不變的,即「原子不滅」定律。

(公式1)只說明事物變化過程中只要總量前後一樣就可以了,並未限制事物變化的方向性。例如,1公斤的水可以加熱變成0.8公斤的水及0.2公斤的水蒸氣,或1公斤的水與0.2公斤的蜂蜜混合可以變成1.2公斤的糖水等。

再看另一個例子,若一個1公升密封的礦泉水瓶,內盛500公克的水,在常態下杯內500公克的水最終會怎樣變化了?在此情況下,最終絕大部分仍是水,僅有一小部分的水會變成水蒸氣,此時水與水蒸氣的總量不只須滿足(公式1)的「質量不滅」定律,還須滿足另一平衡的條件。假如水的溫度為25 oC,則最終杯子內的水蒸氣重量不到3公克,或僅約為水重量的0.6%而已,且至此水與水蒸氣的質量相互達到平衡狀態,不再變化。

為什麼在第二例中,500公克的水不能變成400公克的水及100公克的水蒸氣,或是其他情況呢?這就牽涉到為什麼有些事可能發生,有些事卻不可能發生的問題。

在自然界中,事物變化的方向與平衡狀態的量仍受到其他定律的限制。前已提及,事物變化的量受「質量不滅」與「能量不滅」的限制,那麼事物變化的方向平衡狀態是受什麼限制呢?這就是下回要講的另一個基本定律 -「熱力學第二定律」。 

( 創作散文 )
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引用
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