قانون حفظ الكتلة: التعريف ، الصيغة ، التاريخ (ث / أمثلة)

من أعظم المبادئ المحددة للفيزياء هو أن العديد من أهم خصائصها تخضع بشكل ثابت لمبدأ مهم: في ظل ظروف محددة بسهولة ، فهيمحفوظ، مما يعني أن المبلغ الإجمالي لهذه الكميات الموجودة في النظام الذي اخترته لا يتغير أبدًا.

تتميز أربع كميات شائعة في الفيزياء بوجود قوانين الحفظ التي تنطبق عليها. هؤلاء همطاقة​, ​قوة الدفع​, ​الزخم الزاويوكتلة. الثلاثة الأولى من هذه الكميات غالبًا ما تكون خاصة بالمسائل الميكانيكية ، لكن الكتلة عالمية ، والاكتشاف - أو مظاهرة ، كما كانت - تلك الكتلة المحفوظة ، مع تأكيد بعض الشكوك التي طال أمدها في عالم العلوم ، كانت حيوية ل إثبات.

القانون حفظ الكتلةتنص على أن ، فينظام مغلق(بما في ذلك الكون كله) ، لا يمكن إنشاء الكتلة أو تدميرها عن طريق التغيرات الكيميائية أو الفيزيائية. بعبارات أخرى،يتم الحفاظ على الكتلة الكلية دائمًا. القول الصفيق "ما يدخل ، يجب أن يخرج!" يبدو أنه حقيقة علمية بديهية ، حيث لم يتم إثبات أي شيء على الإطلاق يختفي ببساطة دون أي أثر مادي.

كل مكونات كل الجزيئات في كل خلية جلد قمت بإلقاءها من قبل ، مع الأكسجين ، والهيدروجين ، والنيتروجين ، والكبريت ، وذرات الكربون ، لا تزال موجودة. تمامًا كما يُظهر الخيال العلمي الغامض

يمكن أن يطلق عليه بدلاً من ذلك "قانون الحفاظ على المادة" لأنه في غياب الجاذبية ، لا يوجد شيء مميز في العالم خاصة بالأجسام "الضخمة" ؛ يتبع المزيد حول هذا التمييز المهم ، حيث يصعب المبالغة في أهميته.

تم اكتشاف قانون حفظ الكتلة في عام 1789 من قبل العالم الفرنسي أنطوان لافوازييه. أتى آخرون بالفكرة من قبل ، لكن لافوازييه كان أول من أثبتها.

في ذلك الوقت ، كان الكثير من الاعتقاد السائد في الكيمياء حول النظرية الذرية لا يزال يأتي من الإغريق القدماء ، وبفضل الأفكار الحديثة ، كان يُعتقد أن شيئًا ما داخل النار ("اللاهوب مادة كيميائية") كان في الواقع مادة. استنتج العلماء أن هذا يفسر سبب كون كومة من الرماد أخف من كل ما تم حرقه لإنتاج الرماد.

لافوازييه ساخنةأكسيد الزئبقوأشار إلى أن الكمية التي انخفض وزن المادة الكيميائية بها تساوي وزن غاز الأكسجين المنطلق في التفاعل الكيميائي.

قبل أن يتمكن الكيميائيون من تفسير كتل الأشياء التي يصعب تتبعها ، مثل بخار الماء والغازات النزرة ، لم يتمكنوا من اختبار أي من مبادئ الحفاظ على المادة بشكل كافٍ حتى لو اشتبهوا في وجود مثل هذه القوانين بالفعل عملية.

على أي حال ، دفع هذا لافوازييه إلى القول بأنه يجب حفظ المادة في التفاعلات الكيميائية ، مما يعني أن الكمية الإجمالية للمادة على كل جانب من جوانب المعادلة الكيميائية هي نفسها. هذا يعني أن العدد الإجمالي للذرات (ولكن ليس بالضرورة العدد الإجمالي للجزيئات) في المواد المتفاعلة يجب أن يساوي الكمية في المنتجات ، بغض النظر عن طبيعة التغيير الكيميائي.

• "​كتلة المنتجات في المعادلات الكيميائية تساوي كتلة المواد المتفاعلة"هو أساس القياس المتكافئ ، أو عملية المحاسبة التي يتم من خلالها موازنة التفاعلات والمعادلات الكيميائية رياضياً من حيث الكتلة وعدد الذرات على كل جانب.

إحدى الصعوبات التي قد يواجهها الناس مع قانون الحفاظ على الكتلة هي أن حدود حواسك تجعل بعض جوانب القانون أقل بديهية.

على سبيل المثال ، عندما تأكل رطلًا من الطعام وتشرب رطلاً من السوائل ، فقد تزن نفس الوزن بعد ست ساعات أو نحو ذلك حتى لو لم تذهب إلى الحمام. ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن مركبات الكربون الموجودة في الغذاء تتحول إلى ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والزفير تدريجيًا في البخار (غير المرئي عادةً) في أنفاسك.

في جوهره ، كمفهوم كيميائي ، يعد قانون الحفاظ على الكتلة جزءًا لا يتجزأ من فهم العلوم الفيزيائية ، بما في ذلك الفيزياء. على سبيل المثال ، في مشكلة الزخم المتعلقة بالتصادم ، يمكننا أن نفترض أن الكتلة الكلية في النظام لم تتغير عما كان قبل الاصطدام بشيء مختلف بعد الاصطدام لأن الكتلة - مثل الزخم والطاقة - كذلك محفوظ.

القانون حفظ الطاقةينص على أن الطاقة الإجمالية لنظام منعزل لا تتغير أبدًا ، ويمكن التعبير عن ذلك بعدة طرق. واحدة من هذه هي KE (الطاقة الحركية) + PE (الطاقة الكامنة) + الطاقة الداخلية (IE) = ثابت. يتبع هذا القانون القانون الأول للديناميكا الحرارية ويؤكد أن الطاقة ، مثل الكتلة ، لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها.

• مجموع KE و PE يسمىطاقة ميكانيكيةوهو ثابت في الأنظمة التي تعمل فيها القوى المحافظة فقط (أي عندما لا يتم "إهدار" الطاقة في شكل فقد احتكاك أو حراري).

​دفعة(مالخامس) والزخم الزاوي​ (​إل= مvr) محفوظة أيضًا في الفيزياء ، وتحدد القوانين ذات الصلة بقوة الكثير من سلوك الجسيمات في الميكانيكا التحليلية الكلاسيكية.

تسخين كربونات الكالسيوم أو كربونات الكالسيوم₃، ينتج مركب الكالسيوم أثناء تحرير غاز غامض. لنفترض أن لديك 1 كجم (1000 جم) من كربونات الكالسيوم₃، وتكتشف أنه عند تسخينه يتبقى 560 جرامًا من مركب الكالسيوم.

ما هو التركيب المحتمل لما تبقى من مادة الكالسيوم الكيميائية ، وما هو المركب الذي تم تحريره كغاز؟

أولاً ، نظرًا لأن هذه مشكلة كيميائية في الأساس ، فستحتاج إلى الرجوع إلى جدول دوري للعناصر (انظر الموارد للحصول على مثال).

تم إخبارك أن لديك 1000 جرام من كربونات الكالسيوم₃. من الكتل الجزيئية للذرات المكونة في الجدول ، ترى أن Ca = 40 جم / مول ، C = 12 جم / مول ، و O = 16 جم / مول ، مما يجعل الكتلة الجزيئية لكربونات الكالسيوم كاملة 100 جم / مول (تذكر أن هناك ثلاث ذرات أكسجين في كربونات الكالسيوم₃). ومع ذلك ، لديك 1000 جرام من كربونات الكالسيوم₃، وهي 10 مولات من المادة.

في هذا المثال ، يحتوي منتج الكالسيوم على 10 مولات من ذرات الكالسيوم. لأن كل ذرة Ca هي 40 جم / مول ، لديك 400 جم إجمالاً من الكالسيوم الذي يمكنك أن تفترض أنه تم تركه بعد كربونات الكالسيوم₃ تم تسخينه. في هذا المثال ، يمثل 160 جم ​​المتبقي (560-400) من مركب ما بعد التسخين 10 مولات من ذرات الأكسجين. يجب أن يترك هذا 440 جم من الكتلة كغاز متحرر.

يجب أن يكون للمعادلة المتوازنة الشكل

و ال "؟" يجب أن يحتوي الغاز على الكربون والأكسجين في بعض التركيبات ؛ يجب أن تحتوي على 20 مولًا من ذرات الأكسجين - لديك بالفعل 10 مولات من ذرات الأكسجين على يسار علامة + - وبالتالي 10 مولات من ذرات الكربون. ال "؟" هو CO_2. (في عالم العلم اليوم ، سمعت عن ثاني أكسيد الكربون ، مما يجعل هذه المشكلة شيئًا تافهًا. لكن فكر في وقت لم يكن فيه حتى العلماء يعرفون ما هو موجود في "الهواء").

طلاب الفيزياء قد يربكهم المشهورونحفظ معادلة الكتلة والطاقة​ ​ه = مك​² افترضه ألبرت أينشتاين في أوائل القرن العشرين ، متسائلاً عما إذا كان يتحدى قانون الحفاظ على الكتلة (أو الطاقة) ، حيث يبدو أنه يشير إلى إمكانية تحويل الكتلة إلى طاقة والعكس صحيح.

لا يتم انتهاك أي من القانونين ؛ بدلاً من ذلك ، يؤكد القانون أن الكتلة والطاقة هما في الواقع شكلان مختلفان من الشيء نفسه.

إنه نوع من مثل قياسها في وحدات مختلفة بالنظر إلى الموقف.

ربما لا يمكنك المساعدة ولكن دون وعي تساوي الكتلة مع الوزن للأسباب الموضحة أعلاه - الكتلة هي الوزن فقط عندما تكون الجاذبية في المزيج ، ولكن عندما تكون في تجربتك هي الجاذبيةليسحاضر (عندما تكون على الأرض وليس في غرفة انعدام الجاذبية)؟

من الصعب ، إذن ، تصور المادة على أنها مجرد أشياء ، مثل الطاقة في حد ذاتها ، التي تخضع لقوانين ومبادئ أساسية معينة.

أيضًا ، مثلما يمكن للطاقة أن تغير الأشكال بين الأنواع الحركية ، والجهد ، والكهربائية ، والحرارية وغيرها ، فإن المادة تفعل الشيء نفسه ، على الرغم من أن الأشكال المختلفة للمادة تسمىتنص على: صلب ، غاز ، سائل ، بلازما.

إذا كان بإمكانك تصفية كيفية إدراك حواسك للاختلافات في هذه الكميات ، فقد تتمكن من إدراك أن هناك القليل من الاختلافات الفعلية في الفيزياء.

قد تبدو القدرة على ربط المفاهيم الرئيسية معًا في "العلوم الصعبة" شاقة في البداية ، ولكنها دائمًا ما تكون مثيرة ومجزية في النهاية.