Νόμος Διατήρησης της Μάζας: Ορισμός, Τύπος, Ιστορία (με παραδείγματα)

Μία από τις σπουδαίες καθοριστικές αρχές της φυσικής είναι ότι πολλές από τις σημαντικότερες ιδιότητές της υπακούουν αναμφισβήτητα σε μια σημαντική αρχή: Υπό εύκολα καθορισμένες συνθήκες, είναιδιατηρημένο, που σημαίνει ότι η συνολική ποσότητα αυτών των ποσοτήτων που περιέχονται στο σύστημα που έχετε επιλέξει δεν αλλάζει ποτέ.

Τέσσερις κοινές ποσότητες στη φυσική χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη νόμων διατήρησης που ισχύουν γι 'αυτές. Αυτά είναιενέργεια​, ​ορμή​, ​στροφορμήκαιμάζα. Τα πρώτα τρία από αυτά είναι ποσότητες που συχνά αφορούν ειδικά τα προβλήματα της μηχανικής, αλλά η μάζα είναι καθολική και η ανακάλυψη - ή επίδειξη, όπως ήταν - ότι η μάζα διατηρείται, ενώ επιβεβαιώνει κάποιες μακροχρόνιες υποψίες στον επιστημονικό κόσμο, ήταν ζωτικής σημασίας για αποδεικνύω.

ονόμος για τη διατήρηση της μάζαςδηλώνει ότι, σε ένακλειστό σύστημα(συμπεριλαμβανομένου ολόκληρου του σύμπαντος), η μάζα δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί από χημικές ή φυσικές αλλαγές. Με άλλα λόγια,

Όλα τα συστατικά όλων των μορίων σε κάθε κύτταρο δέρματος που έχετε ρίξει ποτέ, με τα άτομα οξυγόνου, υδρογόνου, αζώτου, θείου και άνθρακα, εξακολουθούν να υπάρχουν. Όπως δείχνει το μυστήριο επιστημονικής φαντασίαςΤα X-Filesδηλώνει για την αλήθεια, όλη η μάζα που ήταν ποτέ "είναι εκεί έξωκάπου​."

Θα μπορούσε να ονομαστεί αντ 'αυτού «ο νόμος της διατήρησης της ύλης» επειδή, αν δεν υπάρχει βαρύτητα, δεν υπάρχει τίποτα το ιδιαίτερο στον κόσμο για ειδικά «μαζικά» αντικείμενα. Ακολουθεί αυτή η σημαντική διάκριση, καθώς είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί.

Η ανακάλυψη του νόμου για τη διατήρηση της μάζας έγινε το 1789 από τον Γάλλο επιστήμονα Antoine Lavoisier. Άλλοι είχαν βρει την ιδέα στο παρελθόν, αλλά ο Lavoisier ήταν ο πρώτος που την απέδειξε.

Εκείνη την εποχή, μεγάλο μέρος της επικρατούσας πεποίθησης στη χημεία για την ατομική θεωρία προήλθε ακόμη από τους αρχαίους Έλληνες, και χάρη στις πιο πρόσφατες ιδέες, θεωρήθηκε ότι κάτι μέσα στη φωτιά ("phlogistonστην πραγματικότητα ήταν μια ουσία. Αυτό, οι επιστήμονες αιτιολόγησαν, εξήγησαν γιατί ένας σωρός τέφρας είναι ελαφρύτερος από ό, τι κάηκε για την παραγωγή της στάχτης.

Το Lavoisier θερμαίνεταιοξείδιο του υδραργύρουκαι σημείωσε ότι η ποσότητα που μειώθηκε το βάρος της χημικής ουσίας ήταν ίση με το βάρος του αερίου οξυγόνου που απελευθερώνεται στη χημική αντίδραση.

Πριν οι χημικοί μπορούσαν να εξηγήσουν τις μάζες των πραγμάτων που ήταν δύσκολο να εντοπιστούν, όπως υδρατμοί και ιχνοστοιχεία, Δεν μπορούσαν να δοκιμάσουν επαρκώς τις αρχές διατήρησης των υλικών, ακόμη και αν υποπτεύονταν ότι υπήρχαν πράγματι τέτοιοι νόμοι λειτουργία.

Σε κάθε περίπτωση, αυτό οδήγησε τον Lavoisier να δηλώσει ότι η ύλη πρέπει να διατηρηθεί σε χημικές αντιδράσεις, πράγμα που σημαίνει ότι η συνολική ποσότητα ύλης σε κάθε πλευρά μιας χημικής εξίσωσης είναι η ίδια. Αυτό σημαίνει ότι ο συνολικός αριθμός ατόμων (αλλά όχι απαραίτητα ο συνολικός αριθμός μορίων) στα αντιδραστήρια πρέπει να ισούται με την ποσότητα στα προϊόντα, ανεξάρτητα από τη φύση της χημικής μεταβολής.

• "​Η μάζα των προϊόντων σε χημικές εξισώσεις είναι ίση με τη μάζα των αντιδρώντων"είναι η βάση της στοιχειομετρίας, ή της λογιστικής διαδικασίας με την οποία οι χημικές αντιδράσεις και οι εξισώσεις εξισορροπούνται μαθηματικά ως προς τη μάζα και τον αριθμό των ατόμων σε κάθε πλευρά.

Μία δυσκολία που μπορεί να έχουν οι άνθρωποι με το νόμο της διατήρησης της μάζας είναι ότι τα όρια των αισθήσεών σας κάνουν κάποιες πτυχές του νόμου λιγότερο διαισθητικές.

Για παράδειγμα, όταν τρώτε ένα κιλό φαγητού και πίνετε ένα κιλό υγρού, μπορεί να ζυγίζετε το ίδιο έξι περίπου ώρες αργότερα, ακόμη και αν δεν πάτε στο μπάνιο. Αυτό συμβαίνει εν μέρει επειδή οι ενώσεις του άνθρακα στα τρόφιμα μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα (CO₂και εκπνέεται σταδιακά στον (συνήθως αόρατο) ατμό στην αναπνοή σας.

Στον πυρήνα της, ως έννοια χημείας, ο νόμος της διατήρησης της μάζας είναι αναπόσπαστο μέρος της κατανόησης της φυσικής επιστήμης, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής. Για παράδειγμα, σε ένα ορμητικό πρόβλημα σχετικά με τη σύγκρουση, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η συνολική μάζα στο σύστημα δεν έχει αλλάξει από τι ήταν πριν από τη σύγκρουση σε κάτι διαφορετικό μετά τη σύγκρουση, επειδή η μάζα - όπως η ορμή και η ενέργεια - είναι διατηρημένο.

ονόμος για τη διατήρηση της ενέργειαςδηλώνει ότι η συνολική ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος δεν αλλάζει ποτέ και αυτό μπορεί να εκφραστεί με διάφορους τρόπους. Ένα από αυτά είναι KE (κινητική ενέργεια) + PE (πιθανή ενέργεια) + εσωτερική ενέργεια (IE) = μια σταθερά. Αυτός ο νόμος απορρέει από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής και διασφαλίζει ότι η ενέργεια, όπως η μάζα, δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί.

• Το άθροισμα των KE και PE καλείταιμηχανική ενέργεια,και είναι σταθερό σε συστήματα στα οποία μόνο συντηρητικές δυνάμεις δρουν (δηλαδή, όταν καμία ενέργεια δεν «σπαταλάται» με τη μορφή απώλειας τριβής ή θερμότητας).

​Ορμή(Μβ) καιστροφορμή​ (​μεγάλο= μvr) διατηρούνται επίσης στη φυσική, και οι σχετικοί νόμοι καθορίζουν έντονα μεγάλο μέρος της συμπεριφοράς των σωματιδίων στην κλασική αναλυτική μηχανική.

Η θέρμανση ανθρακικού ασβεστίου, ή CaCO₃, παράγει μια ένωση ασβεστίου ενώ απελευθερώνει ένα μυστηριώδες αέριο. Ας υποθέσουμε ότι έχετε 1 κιλό (1.000 g) CaCO₃και ανακαλύπτετε ότι όταν θερμαίνεται, παραμένουν 560 γραμμάρια της ένωσης ασβεστίου.

Ποια είναι η πιθανή σύνθεση της εναπομένουσας χημικής ουσίας ασβεστίου και ποια είναι η ένωση που απελευθερώθηκε ως αέριο;

Πρώτον, δεδομένου ότι αυτό είναι ουσιαστικά ένα πρόβλημα χημείας, θα πρέπει να ανατρέξετε σε έναν περιοδικό πίνακα στοιχείων (δείτε τους πόρους για παράδειγμα).

Σας λένε ότι έχετε αυτά τα αρχικά 1.000 g CaCO₃. Από τις μοριακές μάζες των συστατικών ατόμων στον πίνακα, βλέπετε ότι Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol, και O = 16 g / mol, κάνοντας τη μοριακή μάζα ανθρακικού ασβεστίου συνολικά 100 g / mol (θυμηθείτε ότι υπάρχουν τρία άτομα οξυγόνου CaCO₃). Ωστόσο, έχετε 1.000 g CaCO₃, που είναι 10 γραμμομόρια της ουσίας.

Σε αυτό το παράδειγμα, το προϊόν ασβεστίου έχει 10 mol mol ατόμων. επειδή κάθε άτομο Ca είναι 40 g / mol, έχετε συνολικά 400 g Ca που μπορείτε να υποθέσετε με ασφάλεια ότι αφέθηκε μετά το CaCO₃ θερμάνθηκε. Για αυτό το παράδειγμα, τα υπόλοιπα 160 g (560 - 400) ένωσης μετά τη θέρμανση αντιπροσωπεύουν 10 mol mol οξυγόνου. Αυτό πρέπει να αφήσει 440 g μάζας ως απελευθερωμένο αέριο.

Η ισορροπημένη εξίσωση πρέπει να έχει τη μορφή

και το "?" Το αέριο πρέπει να περιέχει άνθρακα και οξυγόνο σε κάποιο συνδυασμό · πρέπει να έχει 20 γραμμομόρια ατόμων οξυγόνου - έχετε ήδη 10 γραμμομόρια ατόμων οξυγόνου στα αριστερά του σημείου + - και επομένως 10 γραμμομόρια ατόμων άνθρακα. Ο "?" είναι CO_2. (Στον σημερινό επιστημονικό κόσμο, έχετε ακούσει για το διοξείδιο του άνθρακα, κάνοντας αυτό το πρόβλημα κάτι ασήμαντο. Αλλά σκεφτείτε μια εποχή που ακόμη και επιστήμονες δεν ήξεραν καν τι ήταν στον αέρα.

Οι μαθητές φυσικής μπορεί να μπερδευτούν από το διάσημοδιατήρηση της εξίσωσης μάζας-ενέργειας​ ​Ε = mc​² υποστηρίζεται από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν στις αρχές του 1900, αναρωτιέται αν αψηφά το νόμο της διατήρησης της μάζας (ή της ενέργειας), καθώς φαίνεται ότι υπονοεί ότι η μάζα μπορεί να μετατραπεί σε ενέργεια και το αντίστροφο.

Κανένας νόμος δεν παραβιάζεται. Αντίθετα, ο νόμος επιβεβαιώνει ότι η μάζα και η ενέργεια είναι στην πραγματικότητα διαφορετικές μορφές του ίδιου πράγματος.

Είναι σαν να τα μετράτε σε διαφορετικές μονάδες δεδομένης της κατάστασης.

Ίσως δεν μπορείτε να βοηθήσετε αλλά να συνιστώ ασυνείδητα τη μάζα με το βάρος για τους λόγους που περιγράφονται παραπάνω - η μάζα είναι βάρος μόνο όταν η βαρύτητα βρίσκεται στο μείγμα, αλλά όταν στην εμπειρία σας είναι η βαρύτηταδενπαρόν (όταν βρίσκεστε στη Γη και όχι σε θάλαμο μηδενικής βαρύτητας);

Είναι δύσκολο λοιπόν να αντιληφθούμε την ύλη ως απλά πράγματα, όπως η ενέργεια από μόνη της, που υπακούει σε ορισμένους θεμελιώδεις νόμους και αρχές.

Επίσης, όπως η ενέργεια μπορεί να αλλάξει μορφές μεταξύ κινητικής, δυναμικής, ηλεκτρικής, θερμικής και άλλων τύπων, η ύλη κάνει το ίδιο πράγμα, αν και οι διαφορετικές μορφές της ύλης ονομάζονταιπολιτείες: στερεό, αέριο, υγρό και πλάσμα.

Εάν μπορείτε να φιλτράρετε τον τρόπο με τον οποίο οι αισθήσεις σας αντιλαμβάνονται τις διαφορές σε αυτές τις ποσότητες, ίσως μπορείτε να εκτιμήσετε ότι υπάρχουν λίγες πραγματικές διαφορές στη φυσική.

Το να συνδυάζεις μεγάλες έννοιες μαζί στις «σκληρές επιστήμες» μπορεί να φαίνεται δύσκολο στην αρχή, αλλά είναι πάντα συναρπαστικό και ικανοποιητικό στο τέλος.