Legge di conservazione della massa: definizione, formula, storia (con esempi)

Uno dei grandi principi che definiscono la fisica è che molte delle sue proprietà più importanti obbediscono fermamente a un principio importante: in condizioni facilmente specificate, sonoconservato, il che significa che la quantità totale di queste quantità contenute nel sistema che hai scelto non cambia mai.

Quattro quantità comuni in fisica sono caratterizzate dall'avere leggi di conservazione che si applicano a loro. Questi sonoenergia​, ​quantità di moto​, ​momento angolareemassa. I primi tre di questi sono quantità spesso specifiche per problemi di meccanica, ma la massa è universale, e la scoperta - o dimostrazione, per così dire, che la massa si conserva, pur confermando alcuni sospetti di lunga data nel mondo della scienza, era vitale per dimostrare.

Illegge di conservazione della massaafferma che, in asistema chiuso(incluso l'intero universo), la massa non può essere né creata né distrutta da cambiamenti chimici o fisici. In altre parole,

Tutti i componenti di tutte le molecole in ogni cellula della pelle che hai mai perso, con i loro atomi di ossigeno, idrogeno, azoto, zolfo e carbonio, esistono ancora. Proprio come il misterioso spettacolo di fantascienzaGli X-Filesdichiara sulla verità, tutta la massa che sia mai stata "è là fuori"da qualche parte​."

Si potrebbe chiamare invece “legge di conservazione della materia” perché, in assenza di gravità, non c'è niente di speciale al mondo su oggetti particolarmente “massicci”; segue di più su questa importante distinzione, poiché la sua rilevanza è difficile da sopravvalutare.

La scoperta della legge di conservazione della massa fu fatta nel 1789 dallo scienziato francese Antoine Lavoisier; altri avevano avuto l'idea prima, ma Lavoisier fu il primo a dimostrarlo.

A quel tempo, gran parte della credenza prevalente nella chimica sulla teoria atomica proveniva ancora dagli antichi greci e, grazie a idee più recenti, si pensava che qualcosa dentro il fuoco ("flogisto") era in realtà una sostanza. Questo, hanno ragionato gli scienziati, spiegava perché un mucchio di cenere è più leggero di qualunque cosa sia stata bruciata per produrre le ceneri.

Lavoisier riscaldatoossido di mercurioe notò che la quantità di diminuzione del peso della sostanza chimica era uguale al peso del gas ossigeno rilasciato nella reazione chimica.

Prima che i chimici potessero spiegare le masse di cose difficili da rintracciare, come il vapore acqueo e i gas in tracce, non potevano testare adeguatamente alcun principio di conservazione della materia anche se sospettavano che tali leggi fossero effettivamente in vigore operazione.

In ogni caso, ciò ha portato Lavoisier ad affermare che la materia deve essere conservata nelle reazioni chimiche, il che significa che la quantità totale di materia su ciascun lato di un'equazione chimica è la stessa. Ciò significa che il numero totale di atomi (ma non necessariamente il numero totale di molecole) nei reagenti deve essere uguale alla quantità nei prodotti, indipendentemente dalla natura del cambiamento chimico.

• "​La massa dei prodotti nelle equazioni chimiche è uguale alla massa dei reagenti" è la base della stechiometria, o il processo di contabilità mediante il quale le reazioni chimiche e le equazioni sono bilanciate matematicamente in termini sia di massa che di numero di atomi su ciascun lato.

Una difficoltà che le persone possono avere con la legge di conservazione della massa è che i limiti dei tuoi sensi rendono alcuni aspetti della legge meno intuitivi.

Ad esempio, quando mangi mezzo chilo di cibo e bevi mezzo chilo di liquidi, potresti pesare lo stesso sei ore dopo anche se non vai in bagno. Ciò è in parte dovuto al fatto che i composti del carbonio negli alimenti vengono convertiti in anidride carbonica (CO₂) ed espirate gradualmente nel vapore (di solito invisibile) nel respiro.

Al suo centro, come concetto di chimica, la legge di conservazione della massa è parte integrante della comprensione della scienza fisica, inclusa la fisica. Ad esempio, in un problema di quantità di moto sulla collisione, possiamo assumere che la massa totale nel sistema non sia cambiata da cosa era prima della collisione con qualcosa di diverso dopo la collisione perché la massa, come la quantità di moto e l'energia, è conservato.

Illegge di conservazione dell'energiaafferma che l'energia totale di un sistema isolato non cambia mai e che può essere espressa in diversi modi. Uno di questi è KE (energia cinetica) + PE (energia potenziale) + energia interna (IE) = una costante. Questa legge deriva dalla prima legge della termodinamica e assicura che l'energia, come la massa, non può essere creata o distrutta.

• La somma di KE e PE si chiamaenergia meccanica,ed è costante nei sistemi in cui agiscono solo forze conservative (cioè quando nessuna energia viene "sprecata" sotto forma di attrito o perdite di calore).

​Quantità di moto(mv) emomento angolare​ (​l= mvero) sono conservati anche in fisica, e le leggi pertinenti determinano fortemente gran parte del comportamento delle particelle nella meccanica analitica classica.

Il riscaldamento del carbonato di calcio, o CaCO₃, produce un composto di calcio liberando un gas misterioso. Supponiamo di avere 1 kg (1.000 g) di CaCO₃, e scopri che quando questo viene riscaldato, rimangono 560 grammi del composto di calcio.

Qual è la probabile composizione della sostanza chimica di calcio rimanente e qual è il composto che è stato liberato come gas?

Innanzitutto, poiché questo è essenzialmente un problema di chimica, dovrai fare riferimento a una tavola periodica degli elementi (vedi Risorse per un esempio).

Ti viene detto che hai quei 1.000 g iniziali di CaCO₃. Dalle masse molecolari degli atomi costituenti nella tabella, si vede che Ca = 40 g/mol, C = 12 g/mol e O = 16 g/mol, rendendo la massa molecolare del carbonato di calcio nel suo insieme 100 g/mol (ricorda che ci sono tre atomi di ossigeno in CaCO₃). Tuttavia, hai 1.000 g di CaCO₃, che è 10 moli della sostanza.

In questo esempio, il prodotto di calcio ha 10 moli di atomi di Ca; poiché ogni atomo di Ca è 40 g/mol, hai 400 g totali di Ca che puoi tranquillamente supporre siano rimasti dopo il CaCO₃ era riscaldato. Per questo esempio, i restanti 160 g (560 – 400) di composto post-riscaldamento rappresentano 10 moli di atomi di ossigeno. Questo deve lasciare 440 g di massa come gas liberato.

L'equazione bilanciata deve avere la forma

e il "?" il gas deve contenere carbonio e ossigeno in qualche combinazione; deve avere 20 moli di atomi di ossigeno – hai già 10 moli di atomi di ossigeno a sinistra del segno + – e quindi 10 moli di atomi di carbonio. Il "?" è CO_2. (Nel mondo della scienza di oggi, hai sentito parlare di anidride carbonica, rendendo questo problema una specie di esercizio banale. Ma pensa a un tempo in cui nemmeno gli scienziati sapevano cosa ci fosse nell'"aria".)

Gli studenti di fisica potrebbero essere confusi dal famosoconservazione dell'equazione massa-energia​ ​E = mc​² postulato da Albert Einstein all'inizio del 1900, chiedendosi se sfidasse la legge di conservazione della massa (o dell'energia), poiché sembra implicare che la massa possa essere convertita in energia e viceversa.

Nessuna legge è violata; invece, la legge afferma che massa ed energia sono in realtà forme diverse della stessa cosa.

È un po' come misurarli in unità diverse data la situazione.

Forse non puoi fare a meno di equiparare inconsciamente la massa al peso per i motivi sopra descritti: la massa è peso solo quando la gravità è nel mix, ma quando nella tua esperienza è la gravitànonpresente (quando sei sulla Terra e non in una camera a gravità zero)?

È difficile, quindi, concepire la materia come solo sostanza, come l'energia a sé stante, che obbedisce a certe leggi e principi fondamentali.

Inoltre, proprio come l'energia può cambiare forma tra cinetica, potenziale, elettrica, termica e di altro tipo, la materia fa la stessa cosa, sebbene le diverse forme di materia siano chiamatestati: solido, gas, liquido e plasma.

Se riesci a filtrare il modo in cui i tuoi sensi percepiscono le differenze in queste quantità, potresti essere in grado di apprezzare che ci sono poche differenze effettive nella fisica.

Essere in grado di legare insieme concetti importanti nelle "scienze dure" può sembrare arduo all'inizio, ma alla fine è sempre emozionante e gratificante.