Закон за запазване на масата: определение, формула, история (с примери)

Един от големите определящи принципи на физиката е, че много от най-важните й свойства неотклонно се подчиняват на важен принцип: При лесно определени условия те саконсервирани, което означава, че общият размер на тези количества, съдържащи се в избраната от вас система, никога не се променя.

Четири често срещани величини във физиката се характеризират със закони за запазване, които се прилагат за тях. Това саенергия​, ​импулс​, ​ъглов моментимаса. Първите три от тях са количества, често специфични за механичните проблеми, но масата е универсална, а откритието - или демонстрация, така да се каже, че масата се запазва, като същевременно потвърждава някои дългогодишни подозрения в научния свят, беше жизненоважна за докажи.

Theзакон за запазване на масатазаявява, че в aзатворена система(включително цялата Вселена), масата не може нито да бъде създадена, нито унищожена от химически или физически промени. С други думи,общата маса винаги се запазва. Нахалната максима "Това, което влиза, трябва да излезе!" изглежда буквален научен труизъм, тъй като никога не е било доказано, че нищо просто изчезва без физическа следа.

Всички компоненти на всички молекули във всяка кожна клетка, която някога сте проливали, с техните атоми кислород, водород, азот, сяра и въглерод, все още съществуват. Точно както показва мистериозната научна фантастикаДосиетата Хзаявява за истината, цялата маса, която някога е била "е тамнякъде​."

Вместо това може да се нарече „закон за запазване на материята“, тъй като при липса на гравитация няма нищо особено в света за особено „масивните“ обекти; следва повече за това важно разграничение, тъй като значението му е трудно да се надцени.

Откриването на закона за запазване на масата е направено през 1789 г. от френския учен Антоан Лавоазие; други бяха измислили идеята и преди, но Лавоазие пръв я доказа.

По това време голяма част от преобладаващата вяра в химията за атомната теория все още идва от древните гърци и благодарение на по-новите идеи се смяташе, че нещо в огъня ("флогистон") всъщност е вещество. Това, разсъждават учените, обяснява защо купчина пепел е по-лека от всичко, което е изгорено, за да се получи пепелта.

Lavoisier загрятаживачен оксиди отбеляза, че количеството на намаленото тегло на химичното вещество е равно на теглото на кислородния газ, отделен при химичната реакция.

Преди химиците да могат да отчетат масите на нещата, които са трудни за проследяване, като водни пари и следи от газове, те не биха могли да тестват адекватно каквито и да било принципи за опазване на материята, дори ако подозираха, че такива закони наистина са в операция.

Във всеки случай това накара Лавуазие да заяви, че материята трябва да се съхранява в химични реакции, което означава, че общото количество материя от всяка страна на химическото уравнение е еднакво. Това означава, че общият брой на атомите (но не непременно общият брой на молекулите) в реагентите трябва да е равен на количеството в продуктите, независимо от естеството на химическата промяна.

• "​Масата на продуктите в химични уравнения е равна на масата на реагентите"е в основата на стехиометрията или счетоводния процес, чрез който химическите реакции и уравнения са математически балансирани както по отношение на масата, така и на броя на атомите от всяка страна.

Една трудност, която хората могат да имат със закона за запазване на масата, е, че границите на вашите сетива правят някои аспекти на закона по-малко интуитивни.

Например, когато изядете половин килограм храна и изпиете половин килограм течност, може да претеглите същите шест или повече часа по-късно, дори ако не отидете до тоалетната. Това е отчасти защото въглеродните съединения в храната се превръщат във въглероден диоксид (CO₂) и издишайте постепенно в (обикновено невидимата) пара в дъха си.

В основата си, като концепция за химия, законът за запазване на масата е неразделна част от разбирането на физическата наука, включително физиката. Например, при проблем с инерцията за сблъсък, можем да приемем, че общата маса в системата не се е променила от това, което беше преди сблъсъка с нещо различно след сблъсъка, защото масата - като инерция и енергия - е консервирани.

Theзакон за запазване на енергиятазаявява, че общата енергия на изолирана система никога не се променя и това може да бъде изразено по различни начини. Един от тях е KE (кинетична енергия) + PE (потенциална енергия) + вътрешна енергия (IE) = константа. Този закон следва от първия закон на термодинамиката и гарантира, че енергията, подобно на масата, не може да бъде създадена или унищожена.

• Извиква се сумата на KE и PEмеханична енергия,и е постоянен в системи, в които действат само консервативни сили (тоест, когато не се "губи" енергия под формата на триене или топлинни загуби).

​Импулс(mv) иъглов момент​ (​L= mвър) са запазени и във физиката и съответните закони силно определят голяма част от поведението на частиците в класическата аналитична механика.

Нагряването на калциев карбонат или CaCO₃, произвежда калциево съединение, като отделя мистериозен газ. Да приемем, че имате 1 кг (1000 г) CaCO₃, и вие откривате, че когато това се нагрява, остават 560 грама от калциевото съединение.

Какъв е вероятният състав на останалото калциево химично вещество и какво е съединението, което се отделя като газ?

Първо, тъй като това по същество е проблем с химията, ще трябва да се обърнете към периодичната таблица на елементите (вижте Ресурси за пример).

Казват ви, че имате първоначалните 1000 g CaCO₃. От молекулните маси на съставните атоми в таблицата виждате, че Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol и O = 16 g / mol, което прави молекулната маса на калциевия карбонат като цяло 100 g / mol (не забравяйте, че има три кислородни атома в CaCO₃). Имате обаче 1000 g CaCO₃, което е 10 мола от веществото.

В този пример калциевият продукт има 10 мола атоми Са; тъй като всеки Ca атом е 40 g / mol, имате общо 400 g Ca, за които можете спокойно да предположите, че са останали след CaCO₃ беше загрята. За този пример, останалите 160 g (560 - 400) след загряване съединение представляват 10 мола кислородни атоми. Това трябва да остави 440 g маса като освободен газ.

Балансираното уравнение трябва да има формата

и "?" газът трябва да съдържа въглерод и кислород в някаква комбинация; трябва да има 20 мола кислородни атоми - вече имате 10 мола кислородни атоми вляво от знака + - и следователно 10 мола въглеродни атоми. „?“ е CO_2. (В днешния свят на науката сте чували за въглеродния диоксид, превръщайки този проблем в нещо тривиално упражнение. Но помислете за време, когато дори учените дори не са знаели какво е във „въздуха“.)

Студентите по физика могат да бъдат объркани от известнитезапазване на уравнение маса-енергия​ ​E = mc​² постулиран от Алберт Айнщайн в началото на 1900-те, чудейки се дали не се противопоставя на закона за запазване на масата (или енергията), тъй като изглежда, че масата може да се преобразува в енергия и обратно.

Нито един от законите не е нарушен; вместо това законът потвърждава, че масата и енергията всъщност са различни форми на едно и също нещо.

Това е нещо като измерването им в различни единици предвид ситуацията.

Може би не можете да помогнете, но несъзнателно приравнявате масата с теглото по гореописаните причини - масата е само тежест, когато гравитацията е в сместа, но когато във вашия опит е гравитациятанеприсъства (когато сте на Земята, а не в камера с нулева гравитация)?

Тогава е трудно да се възприема материята като просто неща, като енергията сама по себе си, която се подчинява на определени основни закони и принципи.

Също така, както енергията може да променя формите между кинетични, потенциални, електрически, топлинни и други видове, материята прави едно и също нещо, въпреки че различните форми на материята се наричатдържави: твърдо вещество, газ, течност и плазма.

Ако можете да филтрирате как вашите собствени сетива възприемат разликите в тези количества, може би ще успеете да разберете, че има малко действителни разлики във физиката.

Способността да се обвържат основни понятия в „твърдите науки“ може да изглежда трудно в началото, но в крайна сметка винаги е вълнуващо и полезно.