A tömegmegőrzés törvénye: meghatározás, képlet, előzmények (példákkal)

A fizika egyik nagy meghatározó alapelve, hogy számos legfontosabb tulajdonsága rendületlenül engedelmeskedik egy fontos elvnek: Könnyen meghatározott körülmények közöttkonzervált, ami azt jelenti, hogy ezeknek a mennyiségeknek a teljes mennyisége a választott rendszerben soha nem változik.

A fizikában négy közös mennyiségre jellemző, hogy fennállnak a rájuk vonatkozó természetvédelmi törvények. Ezekenergia​, ​lendület​, ​perdületéstömeg. Ezek közül az első három mennyiség gyakran a mechanikai problémákra jellemző, de a tömeg univerzális, és a felfedezés - ill mintha a demonstráció konzerválódott volna, miközben megerősítette a tudományos világ néhány régóta fennálló gyanúját, létfontosságú volt bizonyít.

Aa tömeg megőrzésének törvényekimondja, hogy azárt rendszer(beleértve az egész univerzumot), a tömeg sem kémiai, sem fizikai változásokkal nem hozható létre és nem semmisíthető meg. Más szavakkal,a teljes tömeg mindig konzervált. A pimasz maxim "Ami bejön, annak ki kell jönnie!" szó szerint tudományos truizmusnak tűnik, mivel soha semmi sem bizonyult úgy, hogy egyszerűen eltűnik fizikai nyom nélkül.

Valamennyi bőrsejt összes molekulájának minden összetevője, oxigén-, hidrogén-, nitrogén-, kén- és szénatomjaival, még mindig létezik. Ahogy a rejtélyes sci-fi is mutatjaAz X-aktákkijelenti az igazságot, minden tömeg, ami valaha volt, "odakint vanvalahol​."

Nevezhetnék helyette „az anyag megőrzésének törvényének”, mert a gravitáció hiányában a világon semmi különös nincs a különösen „hatalmas” tárgyakban; erről a fontos megkülönböztetésről bővebben következik, mivel annak jelentőségét nehéz túlbecsülni.

A tömegmegőrzés törvényének felfedezését 1789-ben Antoine Lavoisier francia tudós fedezte fel; mások már korábban kitalálták ezt az ötletet, de Lavoisier bizonyította először.

Abban az időben az atomelmélettel kapcsolatos kémiai hiedelem nagy része még mindig az ókori görögöktől származott, és az újabb gondolatoknak köszönhetően azt gondolták, hogy valami tűzben van ("flogiszton") valójában egy anyag volt. Ez a tudósok szerint megmagyarázta, miért könnyebb egy hamuhalom, mint bármi, amit elégettek a hamu előállításához.

Lavoisier fűtötthigany-oxidés megjegyezte, hogy a vegyi anyag súlyának csökkenése megegyezik a kémiai reakcióban felszabaduló oxigén gáz tömegével.

Mielőtt a vegyészek számba tudták venni a nehezen nyomon követhető dolgok tömegét, mint például a vízgőz és a nyomgázok, még akkor sem tudták megfelelően tesztelni az ügyek megőrzésének alapelveit, ha gyanították, hogy valóban vannak ilyen törvények művelet.

Mindenesetre ez arra késztette Lavoisier-t, hogy kijelentse: az anyagot meg kell őrizni a kémiai reakciókban, vagyis a kémiai egyenlet mindkét oldalán az anyag teljes mennyisége megegyezik. Ez azt jelenti, hogy a reaktánsokban lévő összes atomnak (de nem feltétlenül a molekulák teljes számának) meg kell egyeznie a termékek mennyiségével, függetlenül a kémiai változás jellegétől.

• "​A kémiai egyenletben szereplő termékek tömege megegyezik a reagensek tömegével"az alapja a sztöchiometriának, vagy annak a számviteli folyamatnak, amelynek során a kémiai reakciók és az egyenletek matematikailag kiegyensúlyozottak mindkét oldalon az atomok tömegét és számát tekintve.

Az embereknek a tömegmegőrzés törvényével az egyik nehézsége az, hogy érzékeid határa miatt a törvény egyes szempontjai kevésbé intuitívak.

Például, ha megesz egy kiló ételt és megiszik egy kiló folyadékot, akkor ugyanez a hat vagy több órával későbbi súlya lehet, még akkor is, ha nem megy a fürdőszobába. Ez részben azért van, mert az élelmiszerekben lévő szénvegyületek szén-dioxiddá (CO₂), és fokozatosan kilélegzik a lélegzetében lévő (általában láthatatlan) gőzben.

Lényegében, mint kémiai koncepció, a tömeg megőrzésének törvénye szerves része a fizikai tudomány, ezen belül a fizika megértésének. Például az ütközés pillanatnyi problémája esetén feltételezhetjük, hogy a rendszer teljes tömege nem változott az ütközés előtt valami másra ütközött, mert a tömeg - mint a lendület és az energia - az konzervált.

Aaz energiatakarékosság törvényekijelenti, hogy egy izolált rendszer teljes energiája soha nem változik, és ez számos módon kifejezhető. Ezek egyike a KE (kinetikus energia) + PE (potenciális energia) + belső energia (IE) = állandó. Ez a törvény a termodinamika első törvényéből következik, és biztosítja, hogy az energia, csakúgy, mint a tömeg, nem hozható létre vagy semmisíthető meg.

• A KE és a PE összegét hívjuk megmechanikus energia,és állandó azokban a rendszerekben, amelyekben csak a konzervatív erők hatnak (vagyis amikor nem pazarolnak energiát súrlódási vagy hőveszteség formájában).

​Lendület(mv) ésperdület​ (​L= mvr) a fizikában is konzerváltak, és a vonatkozó törvények erősen meghatározzák a részecskék viselkedésének nagy részét a klasszikus analitikai mechanikában.

A kalcium-karbonát vagy a CaCO melegítése₃, kalciumvegyületet állít elő, miközben titokzatos gázt szabadít fel. Tegyük fel, hogy 1 kg (1000 g) CaCO van₃, és rájössz, hogy ha ezt felmelegítik, 560 gramm kalciumvegyület marad.

Mi a fennmaradó kalcium vegyi anyag valószínű összetétele, és mi az a vegyület, amely gázként szabadult fel?

Először is, mivel ez lényegében kémiai probléma, hivatkozni kell az elemek periódusos táblázatára (lásd például a forrásokat).

Azt mondják, hogy megvan az a kezdeti 1000 g CaCO₃. A táblázat alkotó atomjainak molekulatömegéből láthatja, hogy Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol és O = 16 g / mol, így a kalcium-karbonát molekulatömege 100 g / mol (ne feledje, hogy három oxigénatom van a CaCO₃). Önnek azonban 1000 g CaCO-ja van₃, ami 10 mol anyag.

Ebben a példában a kalciumtermék 10 mol Ca atomot tartalmaz; Mivel minden Ca atom 40 g / mol, összesen 400 g Ca van, amelyet nyugodtan feltételezhet, hogy a CaCO után₃ melegítették. Ebben a példában a maradék 160 g (560-400) utóhevítő vegyület 10 mol oxigénatomot jelent. Ennek eredményeként 440 g tömeg szabadul fel gázként.

A kiegyensúlyozott egyenletnek formának kell lennie

és a "?" a gáznak tartalmaznia kell szenet és oxigént valamilyen kombinációban; 20 mol oxigénatomnak kell lennie - már 10 mol oxigénatom van a + jeltől balra - és ezért 10 mol szénatom. A "?" a CO_2. (A mai tudományos világban hallottál a szén-dioxidról, ami miatt ez a probléma valami triviális gyakorlat. De gondolj egy olyan időre, amikor még a tudósok sem tudták, mi van a levegőben.)

A fizikus hallgatókat megzavarhatja a híresa tömeg-energia egyenlet megőrzése​ ​E = mc​² Albert Einstein az 1900-as évek elején feltételezte, hogy vajon szembeszáll-e a tömeg (vagy energia) megmaradásának törvényével, mivel úgy tűnik, hogy a tömeg energiává alakítható és fordítva.

Egyik törvényt sem sértik; ehelyett a törvény megerősíti, hogy a tömeg és az energia valójában ugyanazon dolog különböző formái.

Ez olyan, mintha különböző helyzetben mérnénk őket.

Talán nem teheti meg, hogy öntudatlanul egyenlővé teszi a tömeget a tömeggel a fent leírt okokból - a tömeg csak akkor súly, ha a gravitáció a keverékben van, de amikor tapasztalata szerint a gravitációnemjelen van (amikor a Földön van, és nem egy gravitációs kamrában van)?

Nehéz tehát az anyagot csak olyan anyagként elképzelni, mint például a maga energia, amely betart bizonyos alaptörvényeket és elveket.

Továbbá, ahogy az energia megváltoztathatja a kinetikus, a potenciális, az elektromos, a termikus és más típusok formáját, az anyag ugyanazt csinálja, bár az anyag különböző formáit nevezzükÁllamok: szilárd, gáz, folyékony és plazma.

Ha szűrni tudja, hogy a saját érzékei hogyan érzékelik ezekben a mennyiségekben a különbségeket, akkor képes lehet felmérni, hogy a fizikában kevés tényleges különbség van.

Elsőre nehézkesnek tűnik a főbb fogalmak összekapcsolása a "kemény tudományokban", de végül mindig izgalmas és kifizetődő.