Zakon očuvanja mase: definicija, formula, povijest (s primjerima)

Jedno od glavnih definirajućih načela fizike jest da se mnoga njena najvažnija svojstva nepokolebljivo podvrgavaju važnom principu: pod lako određenim uvjetima, oni sukonzervirano, što znači da se ukupna količina ovih količina sadržanih u sustavu koji ste odabrali nikada ne mijenja.

Četiri uobičajene veličine u fizici karakterizirane su zakonima očuvanja koji se na njih primjenjuju. Ovi suenergije​, ​zamah​, ​kutni momentimasa. Prve tri su veličine koje su često specifične za mehaničke probleme, ali masa je univerzalna, a otkriće - ili demonstracija, kako je rečeno - da se masa čuva, iako je potvrđivala neke dugotrajne sumnje u svijetu znanosti, bila je vitalna za dokazati.

Thezakon očuvanja masenavodi da se u azatvoreni sustav(uključujući čitav svemir), masu ne mogu stvoriti niti uništiti kemijske ili fizičke promjene. Drugim riječima,ukupna masa je uvijek očuvana. Drska maksima "Što uđe, mora i izaći!" čini se doslovnim znanstvenim truizmom, jer nikada nije dokazano da ništa jednostavno nestaje bez fizičkog traga.

Sve komponente svih molekula u svakoj stanici kože koju ste ikad prolili, s atomima kisika, vodika, dušika, sumpora i ugljika, i dalje postoje. Baš kao što tajanstvena znanstvena fantastika pokazujeDosjei Xizjavljuje o istini, sva masa koja je ikad bila "je vaninegdje​."

Umjesto toga, mogao bi se nazvati "zakonom očuvanja materije", jer u odsustvu gravitacije na svijetu nema ničega posebno o posebno "masivnim" objektima; slijedi više o ovoj važnoj razlici jer je njezinu važnost teško precijeniti.

Otkriće zakona o očuvanju mase napravio je 1789. godine francuski znanstvenik Antoine Lavoisier; drugi su već dolazili na tu ideju, ali Lavoisier je prvi to dokazao.

U to su vrijeme većina prevladavajućeg vjerovanja u kemiji o atomskoj teoriji još uvijek dolazila od starih Grka, a zahvaljujući novijim idejama smatralo se da nešto unutar vatre ("flogiston") zapravo bila supstanca. To su, obrazložili su znanstvenici, objasnili zašto je hrpa pepela lakša od svega što je izgorjelo da bi se dobio pepeo.

Lavoisier zagrijanživin oksidi primijetio je da je količina smanjene težine kemikalije jednaka težini plina kisika koji se oslobađa u kemijskoj reakciji.

Prije nego što su kemičari mogli računati na mase stvari koje je bilo teško pratiti, poput vodene pare i plinova u tragovima, nisu mogli adekvatno testirati bilo koja načela očuvanja materije čak i ako su sumnjali da takvi zakoni zaista jesu operacija.

U svakom slučaju, ovo je navelo Lavoisiera da izjavi da se tvar mora sačuvati u kemijskim reakcijama, što znači da je ukupna količina tvari sa svake strane kemijske jednadžbe jednaka. To znači da ukupan broj atoma (ali ne nužno i ukupan broj molekula) u reaktantima mora biti jednak količini u proizvodima, bez obzira na prirodu kemijske promjene.

• "​Masa proizvoda u kemijskim jednadžbama jednaka je masi reaktanata"je osnova stehiometrije, odnosno računovodstvenog postupka kojim se kemijske reakcije i jednadžbe matematički uravnotežuju u smislu mase i broja atoma sa svake strane.

Jedna poteškoća koju ljudi mogu imati sa zakonom očuvanja mase je ta što ograničenja vaših osjetila čine neke aspekte zakona manje intuitivnima.

Primjerice, kada pojedete pola kilograma hrane i popijete pola kilograma tekućine, možda ćete šest-tak sati kasnije težiti čak i ako ne odete u kupaonicu. To je dijelom i zbog toga što se ugljikovi spojevi u hrani pretvaraju u ugljični dioksid (CO₂) i izdahnite postupno u (obično nevidljivoj) pari u dahu.

U osnovi, kao koncept kemije, zakon očuvanja mase je sastavni dio razumijevanja fizičke znanosti, uključujući i fiziku. Na primjer, u problemu sa zamahom oko sudara, možemo pretpostaviti da se ukupna masa u sustavu nije promijenila od onoga što je bilo je to prije sudara s nečim drugačijim nakon sudara, jer masa - poput zamaha i energije - jest konzervirano.

Thezakon očuvanja energijenavodi da se ukupna energija izoliranog sustava nikada ne mijenja, a to se može izraziti na više načina. Jedna od njih je KE (kinetička energija) + PE (potencijalna energija) + unutarnja energija (IE) = konstanta. Ovaj zakon slijedi iz prvog zakona termodinamike i osigurava da se energija, poput mase, ne može stvoriti ili uništiti.

• Zove se zbroj KE i PEmehanička energija,i konstantan je u sustavima u kojima djeluju samo konzervativne sile (tj. kada se energija ne "troši" u obliku gubitaka trenja ili topline).

​Zamah(mv) ikutni moment​ (​L= mvr) također su očuvani u fizici, a relevantni zakoni snažno određuju velik dio ponašanja čestica u klasičnoj analitičkoj mehanici.

Zagrijavanje kalcijevog karbonata ili CaCO₃, proizvodi spoj kalcija, oslobađajući tajanstveni plin. Recimo da imate 1 kg (1.000 g) CaCO₃, i otkrivate da kada se to zagrije, ostaje 560 grama kalcijevog spoja.

Koji je vjerojatni sastav preostale kemijske tvari kalcija i koji je spoj oslobođen kao plin?

Prvo, budući da je ovo u osnovi kemijski problem, morat ćete se uputiti na periodni sustav elemenata (primjer pogledajte Resursi).

Kažu vam da imate tih početnih 1.000 g CaCO₃. Iz molekulskih masa sastavnih atoma u tablici vidite da je Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol i O = 16 g / mol, čineći molekulsku masu kalcijevog karbonata u cjelini 100 g / mol (imajte na umu da u CaCO₃). Međutim, imate 1.000 g CaCO₃, što je 10 molova tvari.

U ovom primjeru kalcijev proizvod ima 10 mola Ca atoma; jer svaki atom Ca iznosi 40 g / mol, imate ukupno 400 g Ca za koji možete sa sigurnošću pretpostaviti da je ostao nakon CaCO₃ bio grijan. Za ovaj primjer, preostalih 160 g (560 - 400) spoja za zagrijavanje predstavlja 10 mola atoma kisika. To mora ostaviti 440 g mase kao oslobođeni plin.

Uravnotežena jednadžba mora imati oblik

i "?" plin mora sadržavati ugljik i kisik u nekoj kombinaciji; mora imati 20 mola atoma kisika - već imate 10 mola atoma kisika lijevo od znaka + - i prema tome 10 mola atoma ugljika. "?" je CO_2. (U današnjem svijetu znanosti čuli ste za ugljični dioksid, čineći ovaj problem trivijalnom vježbom. Ali razmislite o vremenu kada čak ni znanstvenici nisu znali što je u "zraku".)

Studente fizike mogao bi zbuniti poznatiočuvanje jednadžbe masa-energija​ ​E = mc​² postulirao Albert Einstein početkom 1900-ih, pitajući se da li prkosi zakonu očuvanja mase (ili energije), jer čini se da implicira da se masa može pretvoriti u energiju i obrnuto.

Nijedan zakon nije kršen; umjesto toga, zakon potvrđuje da su masa i energija zapravo različiti oblici iste stvari.

To je nekako poput njihova mjerenja u različitim jedinicama s obzirom na situaciju.

Možda ne možete a da nesvjesno ne izjednačite masu s težinom iz gore opisanih razloga - masa je težina samo kada je gravitacija u smjesi, ali kada je u vašem iskustvu gravitacijaneprisutan (kada ste na Zemlji, a niste u komori nula gravitacije)?

Stoga je teško materiju shvatiti kao samo stvari, poput same energije, koja se pokorava određenim temeljnim zakonima i načelima.

Također, kao što energija može mijenjati oblike između kinetičkih, potencijalnih, električnih, toplinskih i drugih vrsta, tvar čini isto, iako se različiti oblici materije nazivajuDržave: krutina, plin, tekućina i plazma.

Ako uspijete filtrirati kako vlastita osjetila percipiraju razlike u tim količinama, možda ćete moći shvatiti da je malo stvarnih razlika u fizici.

Sposobnost povezivanja glavnih koncepata u "tvrdim znanostima" u početku se može činiti mukotrpnom, ali na kraju je uvijek uzbudljivo i korisno.