Lov om bevarelse af masse: Definition, formel, historie (med eksempler)

Et af de store definerende fysiske principper er, at mange af dets vigtigste egenskaber ubestrideligt adlyder et vigtigt princip: Under let specificerede forhold er debevaret, hvilket betyder, at den samlede mængde af disse mængder indeholdt i det valgte system aldrig ændres.

Fire almindelige størrelser i fysik er karakteriseret ved at have bevarelseslove, der gælder for dem. Disse erenergi​, ​momentum​, ​vinkelmomentogmasse. De første tre af disse er mængder, der ofte er specifikke for mekaniske problemer, men masse er universel, og opdagelsen - eller demonstration, som det var - at massen er bevaret, mens den bekræfter nogle langvarige mistanker i videnskabsverdenen, var afgørende for bevise.

Detlov om bevarelse af masseanfører, at i enlukket system(inklusive hele universet), kan masse hverken skabes eller ødelægges af kemiske eller fysiske ændringer. Med andre ord,total masse er altid konserveret. Den frække maksim "Hvad der går ind, skal komme ud!" synes at være en bogstavelig videnskabelig truisme, da intet nogensinde har vist sig at forsvinde uden noget fysisk spor.

Alle komponenterne i alle molekylerne i hver hudcelle, du nogensinde har kørt med deres ilt-, brint-, nitrogen-, svovl- og kulstofatomer, findes stadig. Ligesom mysteriet science fiction viserX-Fileserklærer om sandheden, al masse, der nogensinde har været "er derudeet eller andet sted​."

Det kunne i stedet kaldes "loven om bevarelse af materie", fordi der ikke er noget specielt i verden om specielt "massive" genstande, uden tyngdekraft. mere om denne vigtige sondring følger, da dens relevans er vanskelig at overdrive.

Opdagelsen af ​​loven om bevarelse af masse blev gjort i 1789 af den franske videnskabsmand Antoine Lavoisier; andre var kommet med ideen før, men Lavoisier var først til at bevise det.

På det tidspunkt kom meget af den fremherskende tro på kemi om atomteori stadig fra de gamle grækere, og takket være nyere ideer blev det antaget, at noget inden for ild ("phlogiston") var faktisk et stof. Dette forklarede forskerne, hvorfor en bunke aske er lettere end hvad der blev brændt for at producere asken.

Lavoisier opvarmetkviksølvoxidog bemærkede, at den mængde, som kemikaliets vægt faldt, var lig med vægten af ​​den iltgas, der frigives i den kemiske reaktion.

Før kemikere kunne redegøre for masserne af ting, der var vanskelige at spore, såsom vanddamp og sporgasser, de kunne ikke i tilstrækkelig grad teste noget bevarelsesprincipper, selvom de mistænkte, at sådanne love faktisk var i operation.

Under alle omstændigheder førte dette Lavoisier til, at materie skal konserveres i kemiske reaktioner, hvilket betyder, at den samlede mængde stof på hver side af en kemisk ligning er den samme. Dette betyder, at det samlede antal atomer (men ikke nødvendigvis det samlede antal molekyler) i reaktanterne skal være lig med mængden i produkterne, uanset arten af ​​den kemiske ændring.

• "​Massen af ​​produkterne i kemiske ligninger er lig med massen af ​​reaktanterne"er grundlaget for støkiometri, eller den regnskabsproces, hvormed kemiske reaktioner og ligninger er matematisk afbalanceret med hensyn til både masse og antal atomer på hver side.

Et problem, som folk kan have med loven om bevarelse af masse, er at grænserne for dine sanser gør nogle aspekter af loven mindre intuitive.

For eksempel, når du spiser et pund mad og drikker et pund væske, vejer du muligvis det samme seks timer senere, selvom du ikke går på toilettet. Dette skyldes delvis, at kulstofforbindelser i mad omdannes til kuldioxid (CO₂) og udåndes gradvist i den (normalt usynlige) damp i din ånde.

Som kernekoncept er loven om bevarelse af masse integreret i forståelsen af ​​naturvidenskab, herunder fysik. For eksempel kan vi i et momentumproblem om kollision antage, at den samlede masse i systemet ikke er ændret fra hvad det var før kollisionen til noget andet efter kollisionen, fordi masse - som momentum og energi - er bevaret.

Detlov om energibesparelseangiver, at den samlede energi i et isoleret system aldrig ændres, og det kan udtrykkes på en række måder. En af disse er KE (kinetisk energi) + PE (potentiel energi) + intern energi (IE) = en konstant. Denne lov følger af den første lov om termodynamik og sikrer, at energi, ligesom masse, ikke kan skabes eller ødelægges.

• Summen af ​​KE og PE kaldesmekanisk energi,og er konstant i systemer, hvor kun konservative kræfter virker (dvs. når ingen energi "spildes" i form af friktions- eller varmetab).

​Momentum(mv) ogvinkelmoment​ (​L= mvr) er også konserveret i fysik, og de relevante love bestemmer stærkt meget af partiklernes opførsel i klassisk analytisk mekanik.

Opvarmning af calciumcarbonat eller CaCO₃, producerer en calciumforbindelse, mens den frigør en mystisk gas. Lad os sige, at du har 1 kg (1.000 g) CaCO₃, og du opdager, at når dette opvarmes, forbliver 560 gram af calciumforbindelsen.

Hvad er den sandsynlige sammensætning af det resterende calciumkemiske stof, og hvad er den forbindelse, der blev frigivet som gas?

For det første, da dette i det væsentlige er et kemiproblem, skal du henvise til en periodisk tabel over elementer (se Ressourcer for et eksempel).

Du får at vide, at du har de første 1.000 g CaCO₃. Fra molekylmasserne af de indbyggede atomer i tabellen ser du, at Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol og O = 16 g / mol, hvilket gør den molekylære masse af calciumcarbonat som helhed 100 g / mol (husk at der er tre iltatomer i CaCO₃). Du har dog 1.000 g CaCO₃, hvilket er 10 mol af stoffet.

I dette eksempel har calciumproduktet 10 mol Ca-atomer; fordi hvert Ca-atom er 40 g / mol, har du 400 g Ca, som du sikkert kan antage, var tilbage efter CaCO₃ blev opvarmet. I dette eksempel repræsenterer de resterende 160 g (560 - 400) efteropvarmningsforbindelse 10 mol oxygenatomer. Dette skal efterlade 440 g masse som en frigivet gas.

Den afbalancerede ligning skal have formen

og "?" gas skal indeholde kul og ilt i en eller anden kombination; den skal have 20 mol iltatomer - du har allerede 10 mol iltatomer til venstre for + tegnet - og derfor 10 mol kulstofatomer. Det "?" er CO_2. (I nutidens videnskabsverden har du hørt om kuldioxid, hvilket gør dette problem til en triviel øvelse. Men tænk på et tidspunkt, hvor selv forskere ikke engang vidste, hvad der var i "luften.")

Fysikstuderende kan være forvirrede af de berømtebevarelse af masse-energi ligning​ ​E = mc​² postuleret af Albert Einstein i begyndelsen af ​​1900'erne og spekulerede på, om det trodser loven om bevarelse af masse (eller energi), da det ser ud til at antyde, at masse kan konverteres til energi og omvendt.

Ingen af ​​lovene er overtrådt; i stedet bekræfter loven, at masse og energi faktisk er forskellige former for den samme ting.

Det er som at måle dem i forskellige enheder i betragtning af situationen.

Du kan måske ikke undgå at ubevidst sidestille masse med vægt af de ovenfor beskrevne grunde - masse er kun vægt, når tyngdekraften er i blandingen, men når det efter din erfaring er tyngdekraftenikketil stede (når du er på jorden og ikke i et tyngdekraftkammer)?

Det er derfor svært at opfatte stof som bare ting, som energi i sig selv, der adlyder visse grundlæggende love og principper.

Ligesom energi kan ændre former mellem kinetiske, potentielle, elektriske, termiske og andre typer, gør materie det samme, selvom de forskellige former for stof kaldesstater: fast stof, gas, væske og plasma.

Hvis du kan filtrere, hvordan dine egne sanser opfatter forskellene i disse størrelser, kan du muligvis forstå, at der er få faktiske forskelle i fysikken.

At kunne binde hovedkoncepter sammen i de "hårde videnskaber" kan i første omgang virke vanskeligt, men det er altid spændende og givende i sidste ende.