Loi de conservation de la masse: définition, formule, histoire (avec exemples)

L'un des grands principes qui définissent la physique est que bon nombre de ses propriétés les plus importantes obéissent inébranlablement à un principe important: dans des conditions facilement spécifiées, elles sontconservé, ce qui signifie que le montant total de ces quantités contenues dans le système que vous avez choisi ne change jamais.

Quatre quantités courantes en physique se caractérisent par des lois de conservation qui s'appliquent à elles. Ceux-ci sonténergie​, ​élan​, ​moment angulaireetMasse. Les trois premiers d'entre eux sont des quantités souvent spécifiques aux problèmes de mécanique, mais la masse est universelle, et la découverte - ou démonstration, pour ainsi dire - que la masse est conservée, tout en confirmant certains soupçons de longue date dans le monde de la science, était vitale pour prouver.

leloi de conservation de massedéclare que, dans unsysteme ferme(y compris l'univers entier), la masse ne peut être ni créée ni détruite par des changements chimiques ou physiques. Autrement dit,

Tous les composants de toutes les molécules de chaque cellule de la peau que vous avez perdu, avec leurs atomes d'oxygène, d'hydrogène, d'azote, de soufre et de carbone, existent toujours. Tout comme le spectacle de science-fiction mystèreLes fichiers Xdéclare à propos de la vérité, toute la masse qui ait jamais existé "est là-basquelque part​."

On pourrait plutôt l'appeler « la loi de conservation de la matière » car, en l'absence de gravité, il n'y a rien de spécial au monde à propos d'objets particulièrement « massifs »; plus sur cette distinction importante suit, car sa pertinence est difficile à surestimer.

La découverte de la loi de conservation de la masse a été faite en 1789 par le scientifique français Antoine Lavoisier; d'autres avaient eu l'idée avant, mais Lavoisier fut le premier à le prouver.

À l'époque, une grande partie de la croyance dominante en chimie sur la théorie atomique venait encore des anciens Grecs, et grâce à des idées plus récentes, on pensait que quelque chose dans le feu ("phlogistique") était en fait une substance. Ceci, raisonnaient les scientifiques, expliquait pourquoi un tas de cendres est plus léger que tout ce qui a été brûlé pour produire les cendres.

Lavoisier chaufféoxyde mercuriqueet a noté que la diminution du poids du produit chimique était égale au poids de l'oxygène gazeux libéré lors de la réaction chimique.

Avant que les chimistes puissent expliquer les masses de choses difficiles à suivre, telles que la vapeur d'eau et les gaz traces, ils ne pouvaient pas tester de manière adéquate les principes de conservation de la matière même s'ils soupçonnaient que de telles lois étaient effectivement en vigueur opération.

Dans tous les cas, cela a conduit Lavoisier à affirmer que la matière doit être conservée dans les réactions chimiques, ce qui signifie que la quantité totale de matière de chaque côté d'une équation chimique est la même. Cela signifie que le nombre total d'atomes (mais pas nécessairement le nombre total de molécules) dans les réactifs doit être égal à la quantité dans les produits, quelle que soit la nature du changement chimique.

• "​La masse des produits dans les équations chimiques est égale à la masse des réactifs" est la base de la stoechiométrie, ou le processus comptable par lequel les réactions chimiques et les équations sont mathématiquement équilibrées en termes de masse et de nombre d'atomes de chaque côté.

Une difficulté que les gens peuvent avoir avec la loi de conservation de la masse est que les limites de vos sens rendent certains aspects de la loi moins intuitifs.

Par exemple, lorsque vous mangez une livre de nourriture et buvez une livre de liquide, vous pourriez peser le même poids environ six heures plus tard, même si vous n'allez pas aux toilettes. Cela s'explique en partie par le fait que les composés carbonés des aliments sont convertis en dioxyde de carbone (CO₂) et expiré progressivement dans la vapeur (généralement invisible) de votre respiration.

À la base, en tant que concept de chimie, la loi de conservation de la masse fait partie intégrante de la compréhension des sciences physiques, y compris la physique. Par exemple, dans un problème de quantité de mouvement sur la collision, nous pouvons supposer que la masse totale dans le système n'a pas changé par rapport à ce que c'était avant la collision à quelque chose de différent après la collision parce que la masse - comme la quantité de mouvement et l'énergie - est conservé.

leloi de conservation de l'énergiedéclare que l'énergie totale d'un système isolé ne change jamais, et cela peut être exprimé de plusieurs manières. L'un d'eux est KE (énergie cinétique) + PE (énergie potentielle) + énergie interne (IE) = une constante. Cette loi découle de la première loi de la thermodynamique et assure que l'énergie, comme la masse, ne peut être créée ou détruite.

• La somme de KE et PE est appeléeénergie mécanique,et est constant dans les systèmes dans lesquels seules des forces conservatrices agissent (c'est-à-dire lorsqu'aucune énergie n'est "gaspillée" sous forme de pertes de friction ou de chaleur).

​Élan(mv) etmoment angulaire​ (​L= mvr) sont également conservés en physique, et les lois pertinentes déterminent fortement une grande partie du comportement des particules en mécanique analytique classique.

Le chauffage du carbonate de calcium, ou CaCO₃, produit un composé de calcium tout en libérant un gaz mystérieux. Disons que vous avez 1 kg (1 000 g) de CaCO₃, et vous découvrez que lorsqu'il est chauffé, il reste 560 grammes du composé de calcium.

Quelle est la composition probable de la substance chimique de calcium restante et quel est le composé qui a été libéré sous forme de gaz ?

Tout d'abord, puisqu'il s'agit essentiellement d'un problème de chimie, vous devrez vous référer à un tableau périodique des éléments (voir Ressources pour un exemple).

On vous dit que vous avez les premiers 1 000 g de CaCO₃. D'après les masses moléculaires des atomes constitutifs du tableau, vous voyez que Ca = 40 g/mol, C = 12 g/mol et O = 16 g/mol, ce qui fait que la masse moléculaire du carbonate de calcium dans son ensemble est de 100 g/mol (rappelez-vous qu'il y a trois atomes d'oxygène dans CaCO₃). Cependant, vous avez 1000 g de CaCO₃, qui est de 10 moles de la substance.

Dans cet exemple, le produit de calcium a 10 moles d'atomes de Ca; parce que chaque atome de Ca est de 40 g/mol, vous avez un total de 400 g de Ca que vous pouvez supposer sans risque qu'il reste après le CaCO₃ était chauffée. Pour cet exemple, les 160 g restants (560 – 400) de composé de post-chauffage représentent 10 moles d'atomes d'oxygène. Cela doit laisser 440 g de masse sous forme de gaz libéré.

L'équation équilibrée doit avoir la forme

et le "?" le gaz doit contenir du carbone et de l'oxygène dans une certaine combinaison; il doit avoir 20 moles d'atomes d'oxygène – vous avez déjà 10 moles d'atomes d'oxygène à gauche du signe + – et donc 10 moles d'atomes de carbone. Le "?" est le CO_2. (Dans le monde scientifique d'aujourd'hui, vous avez entendu parler du dioxyde de carbone, ce qui fait de ce problème un exercice trivial. Mais pensez à une époque où même les scientifiques ne savaient même pas ce qu'il y avait dans "l'air".)

Les étudiants en physique pourraient être déroutés par le célèbreconservation de l'équation masse-énergie​ ​E = mc​² postulé par Albert Einstein au début des années 1900, se demandant si cela défie la loi de conservation de la masse (ou de l'énergie), car cela semble impliquer que la masse peut être convertie en énergie et vice versa.

Aucune loi n'est violée; au lieu de cela, la loi affirme que la masse et l'énergie sont en fait des formes différentes de la même chose.

C'est un peu comme les mesurer dans différentes unités compte tenu de la situation.

Vous ne pouvez peut-être pas vous empêcher d'assimiler inconsciemment la masse au poids pour les raisons décrites ci-dessus - la masse n'est le poids que lorsque la gravité est dans le mélange, mais quand dans votre expérience est la graviténe pasprésent (quand vous êtes sur Terre et non dans une chambre en apesanteur) ?

Il est donc difficile de concevoir la matière comme une simple substance, comme l'énergie à part entière, qui obéit à certaines lois et principes fondamentaux.

De plus, tout comme l'énergie peut changer de forme entre les types cinétique, potentiel, électrique, thermique et autres, la matière fait la même chose, bien que les différentes formes de matière soient appeléesÉtats: solide, gaz, liquide et plasma.

Si vous pouvez filtrer la façon dont vos propres sens perçoivent les différences entre ces quantités, vous pourrez peut-être comprendre qu'il existe peu de différences réelles dans la physique.

Être capable de lier ensemble des concepts majeurs dans les « sciences dures » peut sembler ardu au début, mais c'est toujours passionnant et gratifiant à la fin.