炎の中で何が起こっているの？

質問

ものが燃えるときに炎を出しますよね。高熱や光を連続的に発していますが、あの中ではでは一体何が起こっているのでしょうか。
　また、炎を出さずに燃えることもありますが、どう違うのでしょうか。
　燃焼（に限らず人間の体の中などでも）の後で、燃焼に関わった物質（気体も含めて）の質量が減っているはずでよね。Ｅ＝ＭＣ＾２が当てはまるとすれば、とても小さな質量ですが、エネルギーを放出している以上は質量も減っていると思うのです。これは正しいのでしょうか。もし正しいとすればどう説明できるのでしょうか。子供のような質問で恐縮ですが、よろしくお教え下さい。

回答No.3

riv20

普通の燃焼(要するに酸化)の場合、出てくるエネルギーは、質量が変換されたものではありません。
物質の内部エネルギーが熱や光のエネルギーに変換されたものです。

燃えるものというのは、例えば、木材の場合、木が生きているときに、空気中の二酸化炭素を、太陽の光エネルギーを使って炭素化合物に変化させます(光合成）。
このとき、光のエネルギーは、炭素化合物の中に、結合エネルギーとして閉じ込められます。(結合エネルギーも、内部エネルギーの一種です。）
この炭素化合物が燃えるとき、閉じ込められていたエネルギーが、熱エネルギーや光エネルギーとして放出されます。

そのほか、世の中にある燃えるものは、例えば石油はもともと植物でしたし、マグネシウムみたいな金属は、精製するときにエネルギーを投入しています。
そのときに物質の内部に閉じ込められたエネルギーが、物質が燃えて元の姿（二酸化炭素など）に戻ったときに放出されるのです。

したがって、物が燃えるときは、物質の質量は減っていません。

エネルギーには、いろいろな形があります。熱、光はもちろん、運動している物体のもつ運動エネルギーや、高いところにある位置エネルギー、電気エネルギーなどです。これらのエネルギーは全て、何らかの方法で入れ替わることができます。
例えば、高いところにある物体の位置エネルギーは、落ちてくるときに運動エネルギーに変換されますし、運動している物体が地面と擦れ合ったときの摩擦熱が発生するのは、運動エネルギーが熱エネルギーに姿を変えたからです。したがって、摩擦で熱が出るほど、その物体はスピードを落とし、運動エネルギーを失っていきます。運動エネルギーがすべて熱エネルギーに変わったときに、その物体は停止するのです。
同じように、物が燃えるときに出てくる熱や光は、その物質が持っていた内部エネルギーが変換されたものなのです。

お礼

質量喪失については、なるほど、言われてみるとという気もします。もういちど勉強しなくては、いけませんね。（こんな質問をいまだにするようでは、そろそろあきらめるべきかもしれませんが）

　たしかに、後半に例示してもらったことは、筋をたどっていけばその通りだと思います。学校で勉強したはずのことでもありますし。ただ、エネルギーの変換のし方によっては、質量喪失がおこることもあると聞いておりましたので、実際炎の中で何が起こっているのか、それを具体的に検証できれば、と思ったのです。

　有名な燃焼の化学式でしめされる酸化や還元反応、エネルギーの出入りの式はいわば結果であり、現象としては具体的に何が起こっているのか記述したものに遭遇できないのです。

　ただ、やはり、基本に戻って考えるとそうにしかならないこともありますし、こむつかしく考えすぎてしまったようです。

　それから、蛇足ですが、石油は化石燃料ではない可能性がＴＶで紹介されていましたね。位置エネルギーについても物理の問題をとくには便利な考え方でしたが、実はわからないことがあるんです。そのうちまた質問させていただけるチャンスがあればと考えています。

　ご面倒をおかけしましたが、今後もよろしくお願いします。ありがとうございました。