Zákon zachování hmoty: definice, vzorec, historie (s příklady)

Jedním z velkých definujících principů fyziky je, že mnoho z jejích nejdůležitějších vlastností neochvějně dodržuje důležitý princip: Za snadno stanovených podmínek jsoukonzervovaný, což znamená, že celkové množství těchto množství obsažených v systému, který jste vybrali, se nikdy nemění.

Čtyři běžné veličiny ve fyzice se vyznačují zákony zachování, které se na ně vztahují. Tyto jsouenergie​, ​hybnost​, ​moment hybnostiaHmotnost. První tři z nich jsou veličiny často specifické pro problémy mechaniky, ale hmotnost je univerzální a objev - nebo demonstrace - masa je zachována, zatímco potvrzuje některá dlouhodobá podezření ve vědeckém světě, byla zásadní pro dokázat.

Thezákon zachování hmotyuvádí, že v auzavřený systém(včetně celého vesmíru) hmota nemůže být vytvořena ani zničena chemickými nebo fyzickými změnami. Jinými slovy,celková hmotnost je vždy zachována. Drzá zásada „Co jde dovnitř, to musí vyjít!“ se jeví jako doslovný vědecký truismus, protože nikdy nebylo prokázáno, že by nic jednoduše zmizelo bez fyzické stopy.

Všechny složky všech molekul v každé buňce kůže, které jste kdy vyhodili, s jejich atomy kyslíku, vodíku, dusíku, síry a uhlíku, stále existují. Stejně jako tajemná sci-fi showAkta Xprohlašuje o pravdě, veškerá masa, která kdy byla, „je tam venkuněkde​."

Dalo by se místo toho nazvat „zákonem zachování hmoty“, protože při absenci gravitace není na světě nic zvláštního na zvláště „masivních“ objektech; více o tomto důležitém rozlišení následuje, protože jeho závažnost je obtížné přeceňovat.

Objev zákona zachování hmotnosti provedl v roce 1789 francouzský vědec Antoine Lavoisier; jiní s nápadem přišli už dříve, ale Lavoisier to dokázal jako první.

V té době většina převládající víry v chemii o atomové teorii stále pocházela od starověkých Řeků a díky novějším myšlenkám se předpokládalo, že něco v ohni („phlogiston„) byla ve skutečnosti látka. Toto, vysvětlovali vědci, vysvětlovalo, proč je hromada popela lehčí než cokoli, co bylo spáleno k výrobě popelu.

Lavoisier vyhřívanýoxid rtuťnatýa poznamenal, že množství, které snížila hmotnost chemické látky, se rovnalo hmotnosti plynného kyslíku uvolněného při chemické reakci.

Než mohli chemici vysvětlit množství věcí, které bylo obtížné sledovat, jako jsou vodní pára a stopové plyny, nemohli adekvátně otestovat žádné principy zachování hmoty, i když měli podezření, že takové zákony skutečně existují úkon.

V každém případě to vedlo Lavoisiera k závěru, že hmota musí být zachována v chemických reakcích, což znamená, že celkové množství hmoty na každé straně chemické rovnice je stejné. To znamená, že celkový počet atomů (ale ne nutně celkový počet molekul) v reaktantech se musí rovnat množství v produktech, bez ohledu na povahu chemické změny.

• "​Hmotnost produktů v chemických rovnicích se rovná hmotnosti reaktantů„je základem stechiometrie nebo procesu účtování, při kterém jsou chemické reakce a rovnice matematicky vyváženy z hlediska hmotnosti i počtu atomů na každé straně.

Jednou z obtíží, které lidé mohou mít se zákonem zachování hmoty, je to, že hranice vašich smyslů činí některé aspekty zákona méně intuitivní.

Když například jíte půl kila jídla a vypijete kilá tekutiny, můžete vážit zhruba o šest hodin později, i když nechodíte na toaletu. To je z části proto, že sloučeniny uhlíku v potravinách se přeměňují na oxid uhličitý (CO₂) a vydechovali postupně ve (obvykle neviditelné) páře ve vašem dechu.

Ve své podstatě je jako koncept chemie zákon zachování hmoty nedílnou součástí porozumění fyzice, včetně fyziky. Například v případě hybnosti o kolizi můžeme předpokládat, že se celková hmotnost v systému nezměnila od čeho před srážkou to bylo něco jiného, ​​protože hmota - jako hybnost a energie - je konzervovaný.

Thezákon zachování energieuvádí, že celková energie izolovaného systému se nikdy nemění, což lze vyjádřit mnoha způsoby. Jedním z nich je KE (kinetická energie) + PE (potenciální energie) + vnitřní energie (IE) = konstanta. Tento zákon vyplývá z prvního termodynamického zákona a zajišťuje, že energii, stejně jako hmotu, nelze vytvořit ani zničit.

• Vyvolá se součet KE a PEmechanická energie,a je konstantní v systémech, ve kterých působí pouze konzervativní síly (tj. když se „neplýtvá“ energií ve formě třecích nebo tepelných ztrát).

​Hybnost(mproti) amoment hybnosti​ (​L= mvr) jsou také zachovány ve fyzice a příslušné zákony silně určují většinu chování částic v klasické analytické mechanice.

Zahřívání uhličitanu vápenatého nebo CaCO₃, produkuje sloučeninu vápníku a uvolňuje záhadný plyn. Řekněme, že máte 1 kg (1 000 g) CaCO₃a zjistíte, že při zahřátí zbývá 560 gramů sloučeniny vápníku.

Jaké je pravděpodobné složení zbývající chemické látky vápníku a jaká je sloučenina, která byla uvolněna jako plyn?

Za prvé, protože se jedná v zásadě o chemický problém, budete muset odkázat na periodickou tabulku prvků (příklad viz Zdroje).

Bylo vám řečeno, že máte úvodních 1 000 g CaCO₃. Z molekulárních hmot jednotlivých atomů v tabulce vidíte, že Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol a O = 16 g / mol, takže molekulová hmotnost uhličitanu vápenatého jako celku 100 g / mol (pamatujte, že jsou v něm tři atomy kyslíku CaCO₃). Máte však 1 000 g CaCO₃, což je 10 mol látky.

V tomto příkladu má produkt vápníku 10 molů atomů Ca; protože každý atom Ca je 40 g / mol, máte celkem 400 g Ca, o kterých můžete bezpečně předpokládat, že po CaCO zbyli₃ byl zahřátý. V tomto příkladu představuje zbývajících 160 g (560 - 400) sloučeniny pro zahřívání 10 molů atomů kyslíku. To musí zanechat 440 g hmoty jako uvolněný plyn.

Vyvážená rovnice musí mít tvar

a „?“ plyn musí v určité kombinaci obsahovat uhlík a kyslík; musí mít 20 molů atomů kyslíku - již máte 10 molů atomů kyslíku nalevo od znaménka + - a tedy 10 molů atomů uhlíku. „?“ je CO_2. (V dnešním vědeckém světě jste slyšeli o oxidu uhličitém, což z tohoto problému dělá něco jako triviální cvičení. Ale pomyslete na dobu, kdy ani vědci ani nevěděli, co je ve „vzduchu“.)

Studenti fyziky mohou být slavnými zmatenizachování rovnice hmotnostní energie​ ​E = mc​² postuloval Albert Einstein na počátku 20. století a přemýšlel, zda se to vzpírá zákonu zachování hmoty (nebo energie), protože se zdá, že hmotnost může být přeměněna na energii a naopak.

Ani jeden zákon není porušen; místo toho zákon potvrzuje, že hmotnost a energie jsou ve skutečnosti různé formy stejné věci.

Je to něco jako měřit je v různých jednotkách vzhledem k situaci.

Možná si nemůžete pomoci, ale nevědomě ztotožnit hmotnost s hmotností z důvodů popsaných výše - hmotnost je hmotnost pouze tehdy, když je gravitace ve směsi, ale pokud je podle vašich zkušeností gravitacenepřítomný (když jste na Zemi a ne v komoře s nulovou gravitací)?

Je tedy těžké představit si hmotu jen jako věci, jako je energie sama o sobě, která se řídí určitými základními zákony a principy.

Stejně jako energie může měnit formy mezi kinetickými, potenciálními, elektrickými, tepelnými a jinými typy, hmota dělá totéž, ačkoli různé formy hmoty se nazývajístáty: pevná látka, plyn, kapalina a plazma.

Pokud dokážete filtrovat, jak vaše smysly vnímají rozdíly v těchto veličinách, možná oceníte, že ve fyzice existuje jen málo skutečných rozdílů.

Schopnost spojit hlavní pojmy v „tvrdých vědách“ se může zpočátku zdát náročná, ale nakonec je to vždy vzrušující a obohacující.