Missa säilitamise seadus: määratlus, valem, ajalugu (koos näidetega)

Füüsika üks suuremaid põhimõtteid on see, et paljud selle kõige olulisemad omadused järgivad vankumatult olulist põhimõtet: kergesti määratletavates tingimusteskonserveeritud, mis tähendab, et teie valitud süsteemis sisalduvate koguste koguarv ei muutu kunagi.

Nelja füüsikas levinud suurust iseloomustab see, et nende suhtes kehtivad säilitusseadused. Need onenergia​, ​hoog​, ​nurgeline hoogjamass. Esimesed kolm neist on sageli mehaanikaprobleemidele omased suurused, kuid mass on universaalne ja avastus - või meeleavaldus justkui - see mass on konserveeritud, kinnitades samal ajal teadusmaailmas pikka aega püsinud kahtlusi, oli see tõestama.

Themassi säilitamise seadusväidab, et asuletud süsteem(kaasa arvatud kogu universum), ei saa massi keemiliste ega füüsikaliste muutuste abil luua ega hävitada. Teisisõnu,kogu mass on alati konserveeritud. Põse maksiim "Mis sisse läheb, see peab välja tulema!" näib olevat sõna otseses mõttes teaduslik tõesus, sest kunagi pole tõestatud, et midagi lihtsalt haihtuks ilma füüsilise jäljeta.

Kõigi naharakkude, mida olete kunagi heitnud, kõigi molekulide kõik koostisosad koos hapniku, vesiniku, lämmastiku, väävli ja süsiniku aatomitega on endiselt olemas. Nii nagu salapärane ulme näitabX-toimikudkuulutab tõe kohta, kogu mass, mis kunagi oli, on seal väljaskusagil​."

Seda võiks nimetada hoopis "aine säilitamise seaduseks", sest raskusjõu puudumisel pole maailmas eriti "massilistes" objektides midagi erilist; järgneb selle olulise eristamise kohta rohkem, kuna selle asjakohasust on raske üle tähtsustada.

Massi säilitamise seaduse avastas Prantsuse teadlane Antoine Lavoisier 1789. aastal; teised olid selle idee juba varem välja mõelnud, kuid Lavoisier tõestas seda kõigepealt.

Sel ajal pärines suur osa keemias aatomiteoorias valitsevast veendumusest ikkagi vanadest kreeklastest ja tänu uuematele ideedele arvati, et midagi on tule sees ("flogiston") oli tegelikult aine. Teadlased põhjendasid seda, miks tuhahunnik on kergem kui see, mida tuha saamiseks põletati.

Lavoisier soojendaselavhõbeoksiidja märkis, et kemikaali kaalu langus oli võrdne keemilises reaktsioonis eraldunud hapniku massiga.

Enne kui keemikud said aru raskesti jälgitavate asjade massidest, nagu veeaur ja jäljendgaasid, nad ei suutnud ühtegi asja kaitseprintsiipi piisavalt katsetada, isegi kui nad kahtlustavad, et sellised seadused on olemas operatsiooni.

Igal juhul viis see Lavoisier'i väitmiseni, et keemilistes reaktsioonides tuleb ainet säilitada, see tähendab, et aine üldkogus keemilise võrrandi mõlemal küljel on sama. See tähendab, et reaktantides olev aatomite koguarv (kuid mitte tingimata molekulide koguarv) peab olema võrdne produktide kogusega, olenemata keemilise muutuse laadist.

• "​Produktide mass keemilistes võrrandites on võrdne reagentide massiga"on stöhhiomeetria ehk arvestusprotsessi alus, mille abil keemilised reaktsioonid ja võrrandid on matemaatiliselt tasakaalus nii mõlemal küljel olevate aatomite massi kui ka arvu järgi.

Inimestel võib massi säilimise seadusega olla üks raskusi see, et teie meelte piirid muudavad seaduse mõned aspektid vähem intuitiivseks.

Näiteks kui sööte naela toitu ja joote naela vedelikku, võite kaaluda sama umbes kuus tundi hiljem, isegi kui te vannituppa ei lähe. See on osaliselt tingitud sellest, et toidus olevad süsinikuühendid muudetakse süsinikdioksiidiks (CO₂) ja hingatakse järk-järgult välja (tavaliselt nähtamatu) auru kaudu.

Keemia kontseptsioonina on massi jäävuse seadus füüsikateaduse, sealhulgas füüsika mõistmisel lahutamatu osa. Näiteks kokkupõrke hetkeprobleemi korral võime eeldada, et süsteemi kogumass pole sellest muutunud see oli enne kokkupõrget millegi teisega pärast kokkupõrget, sest mass - nagu hoog ja energia - on konserveeritud.

Theenergia jäävuse seadusväidab, et isoleeritud süsteemi koguenergia ei muutu kunagi ja seda saab väljendada mitmel viisil. Üks neist on KE (kineetiline energia) + PE (potentsiaalne energia) + sisemine energia (IE) = konstant. See seadus tuleneb termodünaamika esimesest seadusest ja tagab, et energiat, nagu ka massi, ei saa luua ega hävitada.

• KE ja PE summat nimetataksemehaaniline energia,ja on konstantne süsteemides, kus tegutsevad ainult konservatiivsed jõud (see tähendab, kui energiat ei raisata hõõrdumise või soojuskaodena).

​Hoog(mv) janurgeline hoog​ (​L= mvr) on ka füüsikas konserveeritud ja asjakohased seadused määravad tugevalt palju osakeste käitumist klassikalises analüütilises mehaanikas.

Kaltsiumkarbonaadi ehk CaCO kuumutamine₃toodab kaltsiumiühendit, vabastades samal ajal salapärase gaasi. Oletame, et teil on 1 kg (1000 g) CaCO-d₃ja avastate, et selle kuumutamisel jääb 560 grammi kaltsiumiühendit alles.

Milline on ülejäänud kaltsiumi keemilise aine tõenäoline koostis ja mis on gaasina vabanenud ühend?

Esiteks, kuna see on sisuliselt keemiaprobleem, peate viitama perioodilisele tabelile elementidest (vt näide Ressursid).

Teile öeldakse, et teil on see algne 1000 g CaCO-d₃. Tabelis sisalduvate aatomite molekulmasside põhjal näete, et Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol ja O = 16 g / mol, muutes kaltsiumkarbonaadi molekulmassiks 100 g / mol (pidage meeles, et CaCO₃). Kuid teil on 1000 g CaCO-d₃, mis on 10 mooli ainet.

Selles näites on kaltsiumiproduktil 10 mooli Ca-aatomit; kuna iga Ca-aatom on 40 g / mol, on teil kokku 400 g Ca-d, mille võite kindlalt eeldada, et see jäi pärast CaCO-d₃ soojendati. Selles näites tähistab järelejäänud 160 g (560-400) järelkuumutavat ühendit 10 mooli hapniku aatomit. Nii peab vabanenud gaasina jääma 440 g massi.

Tasakaalustatud võrrandil peab olema vorm

ja "?" gaas peab sisaldama süsinikku ja hapnikku mõnes kombinatsioonis; sellel peab olema 20 mooli hapnikuaatomit - teil on juba + 10 vasakpoolt märki + hapniku aatomeid ja seega 10 mooli süsinikuaatomit. "?" on CO_2. (Tänases teadusmaailmas olete kuulnud süsinikdioksiidist, muutes selle probleemi triviaalseks harjutuseks. Kuid mõelge ajale, mil isegi teadlased ei teadnud isegi, mis õhus on.)

Füüsikaõpilased võivad kuulsad segadusse ajadamassi-energia võrrandi säilitamine​ ​E = mc​² postitanud Albert Einstein 1900-ndate alguses, mõeldes, kas see rikub massi (või energia) jäävuse seadust, kuna näib, et see tähendab, et massi saab muundada energiaks ja vastupidi.

Kumbagi seadust ei rikuta; selle asemel kinnitab seadus, et mass ja energia on tegelikult sama asja erinevad vormid.

See on umbes nagu mõõtes neid olukorda arvestades erinevates ühikutes.

Võib-olla ei saa te muud kui massi teadvustamata võrdsustamist ülalkirjeldatud põhjustel - mass on kaal ainult siis, kui gravitatsioon on segus, kuid kui teie kogemus on gravitatsioonmittekohal (kui olete Maal ja mitte nullgravitatsioonikambris)?

Seega on raske ette kujutada ainet lihtsalt kraamina, nagu energia omaette, mis täidab teatud põhiseadusi ja põhimõtteid.

Samuti, nagu energia võib kineetiliste, potentsiaalsete, elektriliste, termiliste ja muude tüüpide vahel muutuda, teeb aine sama, ehkki aine erinevaid vorme nimetatakseosutab: tahke aine, gaas, vedelik ja plasma.

Kui suudate filtreerida, kuidas teie meeled nende koguste erinevusi tajuvad, võiksite mõista, et füüsikas on vähe tegelikke erinevusi.

Võimalus "rasketes teadustes" peamisi mõisteid kokku siduda võib esialgu tunduda vaevaline, kuid lõpuks on see alati põnev ja tasuv.