Laki massan säilyttämisestä: määritelmä, kaava, historia (esimerkkeineen)

Yksi fysiikan suurimmista määrittelevistä periaatteista on, että monet sen tärkeimmistä ominaisuuksista noudattavat vankkumattomasti tärkeää periaatetta: Hyvin määritellyissä olosuhteissa ne ovatsäilynyt, mikä tarkoittaa, että valitsemassasi järjestelmässä olevien näiden määrien kokonaismäärä ei koskaan muutu.

Neljä fysiikan yleistä määrää on ominaista siihen, että niihin sovelletaan säilyttämislakeja. Nämä ovatenergiaa​, ​vauhtia​, ​kulmamomenttijamassa-. Kolme ensimmäistä näistä ovat usein mekaniikkaongelmille ominaisia ​​määriä, mutta massa on yleismaailmallinen, ja löytö - tai mielenosoitus, ikään kuin - että massa on säilynyt, samalla kun se vahvistaa joitain tiedemaailman pitkäaikaisia ​​epäilyjä, oli elintärkeää todistaa.

lain säilyttämisen massatoteaa, että asuljettu järjestelmä(mukaan lukien koko maailmankaikkeus), massaa ei voida luoda eikä tuhota kemiallisilla tai fysikaalisilla muutoksilla. Toisin sanoen,kokonaismassa on aina säilynyt. Röyhkeä maksiimi "Mitä tulee sisään, sen täytyy tulla ulos!" näyttää olevan kirjaimellinen tieteellinen truismi, koska mikään ei ole koskaan osoitettu häviävän ilman fyysistä jälkeä.

Kaikkien koskaan irtoamiesi ihosolujen kaikkien molekyylien komponentit, niiden happi-, vety-, typpi-, rikki- ja hiiliatomit, ovat edelleen olemassa. Aivan kuten mysteerinen tieteiskirjallisuus osoittaaX-tiedostotjulistaa totuudesta, kaikki massa, joka on koskaan ollut "on sielläjonnekin​."

Sitä voitaisiin sen sijaan kutsua "aineen säilymisen laiksi", koska ilman painovoimaa maailmassa ei ole mitään erityistä erityisen "massiivisissa" esineissä; lisää tästä tärkeästä erosta seuraa, koska sen merkitystä on vaikea yliarvioida.

Ranskalainen tiedemies Antoine Lavoisier löysi massasäilytyslain vuonna 1789; toiset olivat keksineet ajatuksen aiemmin, mutta Lavoisier oli ensimmäinen todistajana.

Tuolloin suuri osa kemian uskomuksesta atomiteoriasta tuli edelleen muinaisilta kreikkalaisilta, ja uudempien ideoiden ansiosta ajateltiin, että jotain tulen sisällä ("phlogiston") oli itse asiassa aine. Tutkijat perustelivat tämän selittäneen, miksi tuhkapino on kevyempi kuin mikä tahansa poltettiin tuhkan tuottamiseksi.

Lavoisier lämmitettiinelohopeaoksidija huomautti, että kemikaalin painon lasku oli yhtä suuri kuin kemiallisessa reaktiossa vapautuneen happikaasun paino.

Ennen kuin kemistit pystyivät selittämään vaikeasti jäljitettävien asioiden massat, kuten vesihöyry ja jäljitetyt kaasut, he eivät voineet testata riittävästi minkään aineen säilyttämisperiaatteita, vaikka he epäilivätkin, että tällaisia ​​lakeja todella oli operaatio.

Joka tapauksessa tämä johti Lavoisieriin, että aine on säilytettävä kemiallisissa reaktioissa, mikä tarkoittaa, että aineen kokonaismäärä kemiallisen yhtälön kummallakin puolella on sama. Tämä tarkoittaa, että reaktanteissa olevien atomien kokonaismäärän (mutta ei välttämättä molekyylien kokonaismäärän) on oltava yhtä suuri kuin tuotteiden määrä kemiallisen muutoksen luonteesta riippumatta.

• "​Tuotteiden massa kemiallisissa yhtälöissä on yhtä suuri kuin reagenssien massa"on stökiometrian tai kirjanpitoprosessin perusta, jolla kemialliset reaktiot ja yhtälöt tasapainotetaan matemaattisesti kummallakin puolella olevien atomien massan ja lukumäärän suhteen.

Yksi vaikeus, joka ihmisillä voi olla massan säilyttämislain suhteen, on se, että aistien rajat tekevät joistakin lain näkökohdista vähemmän intuitiivisia.

Esimerkiksi kun syöt naulan ruokaa ja juot naulan nestettä, saatat painaa samat noin kuusi tuntia myöhemmin, vaikka et menisikään vessaan. Tämä johtuu osittain siitä, että elintarvikkeissa olevat hiiliyhdisteet muuttuvat hiilidioksidiksi (CO₂) ja hengitetään vähitellen hengitystesi (yleensä näkymättömään) höyryyn.

Kemian käsitteenä massan säilymislaki on olennainen osa fysiikan, fysiikan, ymmärtämistä. Esimerkiksi törmäyshetkellä voidaan olettaa, että järjestelmän kokonaismassa ei ole muuttunut mistä se tapahtui ennen törmäystä johonkin toiseen törmäyksen jälkeen, koska massa - kuten liikemäärä ja energia - on säilynyt.

energiansäästölakitoteaa, että eristetyn järjestelmän kokonaisenergia ei koskaan muutu, ja se voidaan ilmaista monin tavoin. Yksi näistä on KE (kineettinen energia) + PE (potentiaalinen energia) + sisäinen energia (IE) = vakio. Tämä laki seuraa ensimmäisestä termodynamiikan laista ja varmistaa, että energiaa, kuten massaa, ei voida luoda tai tuhota.

• KE: n ja PE: n summa kutsutaanmekaaninen energia,ja on vakio järjestelmissä, joissa toimivat vain konservatiiviset voimat (ts. kun energiaa ei "hukata" kitka- tai lämpöhäviöiden muodossa).

​Vauhti(mv) jakulmamomentti​ (​L= mvr) ovat myös konservoituneet fysiikassa, ja asiaankuuluvat lait määräävät voimakkaasti suuren osan hiukkasten käyttäytymisestä klassisessa analyyttisessä mekaniikassa.

Kalsiumkarbonaatin tai CaCO: n lämmittäminen₃, tuottaa kalsiumyhdistettä vapauttaen salaperäisen kaasun. Oletetaan, että sinulla on 1 kg (1000 g) CaCO: ta₃ja huomaat, että kun tätä kuumennetaan, jäljellä on 560 grammaa kalsiumyhdistettä.

Mikä on jäljellä olevan kalsiumkemiallisen aineen todennäköinen koostumus ja mikä on yhdiste, joka vapautui kaasuna?

Ensinnäkin, koska tämä on pohjimmiltaan kemian ongelma, sinun on viitattava jaksolliseen elementtitaulukkoon (katso esimerkki Resursseista).

Sinulle kerrotaan, että sinulla on ensimmäinen 1000 g CaCO: ta₃. Taulukon muodostavien atomien molekyylimassoista näet, että Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol ja O = 16 g / mol, jolloin kalsiumkarbonaatin molekyylipaino kokonaisuudessaan on 100 g / mol (muista, että CaCO₃). Sinulla on kuitenkin 1000 g CaCO: ta₃, joka on 10 moolia ainetta.

Tässä esimerkissä kalsiumtuotteessa on 10 moolia Ca-atomia; koska jokainen Ca-atomi on 40 g / mol, sinulla on yhteensä 400 g Ca: ta, jonka voit turvallisesti olettaa jääneen CaCO: n jälkeen₃ lämmitettiin. Tässä esimerkissä jäljellä olevat 160 g (560 - 400) jälkilämmitysyhdistettä edustavat 10 moolia happiatomeja. Tämän on jätettävä 440 g massaa vapautuneena kaasuna.

Tasapainotetulla yhtälöllä on oltava muoto

ja "?" kaasun on sisällettävä hiiltä ja happea jossakin yhdistelmässä; siinä on oltava 20 moolia happiatomeja - sinulla on jo 10 moolia happiatomeja + -merkin vasemmalla puolella - ja siten 10 moolia hiiliatomia. "?" on CO_2. (Nykypäivän tiedemaailmassa olet kuullut hiilidioksidista, mikä tekee tästä ongelmasta jotain triviaalia. Mutta ajattele aikaa, jolloin edes tiedemiehet eivät edes tienneet, mitä "ilmassa" on.)

Kuuluisa voi hämmentää fysiikan opiskelijoitamassa-energiayhtälön säilyttäminen​ ​E = mc​² Albert Einsteinin 1900-luvun alkupuolella olettama, miettii, onko se vastoin massan (tai energian) säilymisen lakia, koska näyttää siltä, ​​että massa voidaan muuntaa energiaksi ja päinvastoin.

Kumpaakaan lakia ei rikota; sen sijaan laki vahvistaa, että massa ja energia ovat itse asiassa saman muodon eri muotoja.

Se on eräänlainen kuin mitata ne eri yksiköissä tilanteen mukaan.

Et ehkä voi olla, mutta massan ja painon tasaaminen tiedostamattomasti yllä kuvatuista syistä - massa on paino vain, kun painovoima on sekoituksessa, mutta kun kokemuksesi mukaan on painovoimaeiläsnä (kun olet maapallolla etkä nollapainokammiossa)?

Siksi on vaikea ajatella ainetta pelkkänä tavarana, kuten energia itsessään, joka noudattaa tiettyjä peruslakeja ja periaatteita.

Samoin kuin energia voi muuttaa muotoja kineettisten, potentiaalisten, sähköisten, lämpö- ja muiden tyyppien välillä, aine tekee saman asian, vaikka aineen eri muotoja kutsutaankintoteaa: kiinteä aine, kaasu, neste ja plasma.

Jos pystyt suodattamaan, kuinka omat aistisi havaitsevat näiden määrien erot, saatat pystyä ymmärtämään, että fysiikassa on vähän todellisia eroja.

Mahdollisuus yhdistää pääkäsitteet yhteen "kovissa tieteissä" saattaa tuntua aluksi hankalalta, mutta loppujen lopuksi se on aina jännittävää ja palkitsevaa.