Massenerhaltungssatz: Definition, Formel, Geschichte (mit Beispielen)

Eines der großen bestimmenden Prinzipien der Physik ist, dass viele ihrer wichtigsten Eigenschaften unbeirrt einem wichtigen Prinzip gehorchen: Unter leicht zu spezifizierenden Bedingungen sind siekonserviert, was bedeutet, dass sich die Gesamtmenge dieser Mengen, die in dem von Ihnen gewählten System enthalten sind, nie ändert.

Vier gebräuchliche Größen in der Physik sind dadurch gekennzeichnet, dass für sie Erhaltungssätze gelten. Diese sindEnergie​, ​Schwung​, ​DrehimpulsundMasse. Die ersten drei davon sind Größen, die oft spezifisch für mechanische Probleme sind, aber die Masse ist universell, und die Entdeckung – oder Es war sozusagen eine Demonstration – dass die Masse erhalten bleibt, während einige lang gehegte Vermutungen in der Wissenschaftswelt bestätigt wurden, war jedoch von entscheidender Bedeutung für beweisen.

DasGesetz der Erhaltung der Massebesagt, dass in ageschlossenes System(einschließlich des gesamten Universums) kann Masse weder durch chemische oder physikalische Veränderungen erzeugt noch zerstört werden. Mit anderen Worten,

Alle Bestandteile aller Moleküle in jeder Hautzelle, die Sie jemals abgestoßen haben, mit ihren Sauerstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Kohlenstoffatomen, sind noch vorhanden. Genau wie die Mystery-Science-Fiction-ShowAkte Xerklärt über die Wahrheit, alle Masse die jemals war "ist da draußen"irgendwo​."

Es könnte stattdessen „das Gesetz der Erhaltung der Materie“ genannt werden, weil es in der Welt ohne Schwerkraft nichts Besonderes an besonders „massiven“ Objekten gibt; mehr zu dieser wichtigen Unterscheidung folgt, da ihre Relevanz schwer zu überschätzen ist.

Die Entdeckung des Massenerhaltungsgesetzes wurde 1789 von dem französischen Wissenschaftler Antoine Lavoisier gemacht; andere hatten die Idee schon früher gehabt, aber Lavoisier war der Erste, der sie bewies.

Zu dieser Zeit stammte ein Großteil des in der Chemie vorherrschenden Glaubens an die Atomtheorie noch von den alten Griechen, und dank neuerer Ideen glaubte man, dass etwas im Feuer ("phlogiston") war eigentlich eine Substanz. Dies, argumentierten die Wissenschaftler, erklärte, warum ein Aschehaufen leichter ist als das, was zur Herstellung der Asche verbrannt wurde.

Lavoisier beheiztQuecksilberoxidund stellte fest, dass die Gewichtsabnahme der Chemikalie gleich dem Gewicht des bei der chemischen Reaktion freigesetzten Sauerstoffgases war.

Bevor Chemiker die Massen schwer zu verfolgender Dinge wie Wasserdampf und Spurengase erklären konnten, sie konnten keine Prinzipien zur Erhaltung der Materie angemessen testen, selbst wenn sie vermuteten, dass solche Gesetze tatsächlich vorhanden waren Operation.

Auf jeden Fall führte dies Lavoisier zu der Aussage, dass Materie bei chemischen Reaktionen konserviert werden muss, was bedeutet, dass die Gesamtmenge an Materie auf jeder Seite einer chemischen Gleichung gleich ist. Dies bedeutet, dass die Gesamtzahl der Atome (aber nicht unbedingt die Gesamtzahl der Moleküle) in den Reaktanten der Menge in den Produkten entsprechen muss, unabhängig von der Art der chemischen Veränderung.

• "​Die Masse der Produkte in chemischen Gleichungen ist gleich der Masse der Reaktanten" ist die Grundlage der Stöchiometrie oder des Bilanzierungsprozesses, bei dem chemische Reaktionen und Gleichungen sowohl in Bezug auf die Masse als auch auf die Anzahl der Atome auf jeder Seite mathematisch ausgeglichen werden.

Eine Schwierigkeit, die Menschen mit dem Massenerhaltungsgesetz haben können, besteht darin, dass die Grenzen Ihrer Sinne einige Aspekte des Gesetzes weniger intuitiv machen.

Wenn Sie beispielsweise ein Pfund Essen essen und ein Pfund Flüssigkeit trinken, wiegen Sie vielleicht sechs Stunden später dasselbe, selbst wenn Sie nicht auf die Toilette gehen. Dies liegt zum Teil daran, dass Kohlenstoffverbindungen in Lebensmitteln in Kohlendioxid (CO .) umgewandelt werden₂) und nach und nach in den (normalerweise unsichtbaren) Dampf in Ihrem Atem ausgeatmet.

Im Kern ist das Massenerhaltungsgesetz als chemisches Konzept ein wesentlicher Bestandteil des Verständnisses der physikalischen Wissenschaften, einschließlich der Physik. Zum Beispiel können wir bei einem Impulsproblem der Kollision davon ausgehen, dass sich die Gesamtmasse im System nicht geändert hat es war vor der Kollision zu etwas anderem nach der Kollision, weil Masse – wie Impuls und Energie – ist konserviert.

DasEnergieerhaltungssatzbesagt, dass sich die Gesamtenergie eines isolierten Systems nie ändert und dies auf verschiedene Weise ausgedrückt werden kann. Eine davon ist KE (kinetische Energie) + PE (potentielle Energie) + innere Energie (IE) = eine Konstante. Dieses Gesetz folgt aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik und stellt sicher, dass Energie wie Masse nicht erzeugt oder zerstört werden kann.

• Die Summe von KE und PE heißtmechanische Energie,und ist konstant in Systemen, in denen nur konservative Kräfte wirken (dh wenn keine Energie in Form von Reibungs- oder Wärmeverlusten "verschwendet" wird).

​Schwung(mv) undDrehimpuls​ (​L= mvr) sind auch in der Physik konserviert, und die relevanten Gesetze bestimmen stark das Verhalten von Teilchen in der klassischen analytischen Mechanik.

Das Erhitzen von Calciumcarbonat oder CaCO₃, produziert eine Kalziumverbindung und setzt dabei ein mysteriöses Gas frei. Nehmen wir an, Sie haben 1 kg (1.000 g) CaCO₃, und Sie stellen fest, dass beim Erhitzen 560 Gramm der Calciumverbindung zurückbleiben.

Wie ist die wahrscheinliche Zusammensetzung der verbleibenden chemischen Calciumsubstanz und welche Verbindung wurde als Gas freigesetzt?

Da dies im Wesentlichen ein chemisches Problem ist, müssen Sie sich zunächst auf ein Periodensystem der Elemente beziehen (siehe Ressourcen für ein Beispiel).

Ihnen wird gesagt, dass Sie diese anfänglichen 1.000 g CaCO. haben₃. Aus den Molekülmassen der konstituierenden Atome in der Tabelle sehen Sie, dass Ca = 40 g/mol, C = 12 g/mol und O = 16 g/mol, so dass die Molekülmasse von Calciumcarbonat insgesamt 100 g/mol beträgt (denken Sie daran, dass drei Sauerstoffatome in CaCO₃). Sie haben jedoch 1.000 g CaCO₃, das sind 10 Mol der Substanz.

In diesem Beispiel hat das Calciumprodukt 10 Mol Ca-Atome; Da jedes Ca-Atom 40 g/mol beträgt, haben Sie insgesamt 400 g Ca, von denen Sie mit Sicherheit annehmen können, dass sie nach dem CaCO. übrig waren₃ wurde erhitzt. In diesem Beispiel repräsentieren die verbleibenden 160 g (560 – 400) der Nacherhitzungsverbindung 10 Mol Sauerstoffatome. Dabei müssen 440 g Masse als freigesetztes Gas zurückbleiben.

Die ausgeglichene Gleichung muss die Form. haben

und der "?" Gas muss in irgendeiner Kombination Kohlenstoff und Sauerstoff enthalten; es muss 20 Mol Sauerstoffatome haben – Sie haben bereits 10 Mol Sauerstoffatome links vom +-Zeichen – und daher 10 Mol Kohlenstoffatome. Das "?" ist CO_2. (In der heutigen Wissenschaftswelt haben Sie von Kohlendioxid gehört, was dieses Problem zu einer trivialen Übung macht. Aber denken Sie an eine Zeit, in der selbst Wissenschaftler nicht einmal wussten, was in "Luft" war.)

Physikstudenten könnten von den berühmtenErhaltung der Masse-Energie-Gleichung​ ​E = mc​² postuliert von Albert Einstein in den frühen 1900er Jahren und fragt sich, ob es dem Gesetz der Erhaltung der Masse (oder Energie) widerspricht, da es zu implizieren scheint, dass Masse in Energie umgewandelt werden kann und umgekehrt.

Keines der Gesetze wird verletzt; stattdessen bestätigt das Gesetz, dass Masse und Energie tatsächlich unterschiedliche Formen derselben Sache sind.

Es ist, als würde man sie je nach Situation in verschiedenen Einheiten messen.

Sie können aus den oben beschriebenen Gründen vielleicht nicht anders, als Masse mit Gewicht unbewusst gleichzusetzen – Masse ist nur Gewicht, wenn die Schwerkraft in der Mischung ist, aber wenn Ihrer Erfahrung nach die Schwerkraft istnichtvorhanden (wenn Sie auf der Erde sind und nicht in einer Schwerelosigkeitskammer)?

Es ist daher schwer, sich Materie als bloßes Zeug vorzustellen, wie Energie an sich, das bestimmten grundlegenden Gesetzen und Prinzipien gehorcht.

Genauso wie Energie zwischen kinetischen, potentiellen, elektrischen, thermischen und anderen Formen wechseln kann, tut Materie dasselbe, obwohl die verschiedenen Formen der Materie genannt werdenZustände: fest, gasförmig, flüssig und Plasma.

Wenn Sie filtern können, wie Ihre eigenen Sinne die Unterschiede dieser Größen wahrnehmen, können Sie möglicherweise erkennen, dass es in der Physik nur wenige tatsächliche Unterschiede gibt.

Große Konzepte in den „harten Wissenschaften“ miteinander verbinden zu können, mag zunächst mühsam erscheinen, ist aber am Ende immer spannend und lohnend.