חוק שימור המיסה: הגדרה, נוסחה, היסטוריה (w / דוגמאות)

אחד העקרונות המגדירים הגדולים של הפיזיקה הוא שרבים מהתכונות החשובות ביותר שלה מצייתות ללא עוררין לעיקרון חשוב: בתנאים מוגדרים בקלות הםמְשׁוּמָרכלומר הכמות הכוללת של הכמויות הללו הכלולה במערכת שבחרת מעולם לא משתנה.

ארבע כמויות נפוצות בפיזיקה מאופיינות בכך שיש חוקים לשימור החלים עליהן. אלו הםאֵנֶרְגִיָה​, ​תְנוּפָה​, ​מומנטום זוויתיומסה. שלושת הראשונים הללו הם כמויות הספציפיות לעיתים קרובות לבעיות מכניות, אך המסה היא אוניברסאלית, והתגלית - או הפגנה, כביכול - שהמסה נשמרת, תוך אישור לחשדות ארוכי שנים בעולם המדע, הייתה חיונית לְהוֹכִיחַ.

החוק שימור המסהקובע כי, במערכת סגורה(כולל כל היקום), לא ניתן ליצור ולא להרוס מסה על ידי שינויים כימיים או פיזיקליים. במילים אחרות,המסה הכוללת נשמרת תמיד. המקסימום החצוף "מה שנכנס, חייב לצאת!" נראה כי הוא אמת מדעית מילולית, שכן מעולם לא הוכח ששום דבר פשוט נעלם ללא שום זכר פיזי.

כל המרכיבים של כל המולקולות בכל תא עור ששפחתם אי פעם, עם אטומי החמצן, המימן, החנקן, הגופרית והפחמן שלהם, עדיין קיימים. בדיוק כמו מופע המדע הבדיוני המסתוריתיקי האקסמצהיר על האמת, כל המסה שהייתה "קיימת שםאי שם​."

במקום זאת אפשר לקרוא לו "חוק שימור החומר" מכיוון שלמרות הכבידה, אין שום דבר מיוחד בעולם באובייקטים "מסיביים" במיוחד; בהמשך להבחנה חשובה זו, מכיוון שקשה להפריז ברלוונטיות שלה.

גילוי חוק שימור המסה נעשה בשנת 1789 על ידי המדען הצרפתי אנטואן לבואזיה; אחרים העלו את הרעיון בעבר, אך לבואזיה היה הראשון שהוכיח זאת.

באותה תקופה, חלק ניכר מהאמונה הרווחת בכימיה באשר לתורת האטום הגיעה עדיין מהיוונים הקדומים, ובזכות רעיונות עדכניים יותר, חשבו שמשהו בתוך אש ("פלוגיסטון") היה למעשה חומר. זה, הסבירו מדענים, הסביר מדוע ערימת אפר קלה יותר מכל מה שנשרף כדי לייצר את האפר.

לבואיזיה מחומםתחמוצת כספיתוציין כי הכמות בה ירד משקל הכימיקל שווה למשקל גז החמצן המשתחרר בתגובה הכימית.

לפני שהכימאים יכלו להסביר את המוני הדברים שקשה היה לעקוב אחריהם, כמו אדי מים וגזי עקבות, הם לא יכלו לבחון את עקרונות שימור העניין בצורה מספקת גם אם הם חושדים שחוקים כאלה אכן נמצאים מבצע.

בכל מקרה זה הביא את לבואיזיה לקבוע כי יש לשמור על חומר בתגובות כימיות, כלומר הכמות הכוללת של החומר בכל צד של משוואה כימית זהה. משמעות הדבר היא כי המספר הכולל של האטומים (אך לא בהכרח המספר הכולל של המולקולות) בתגובות חייב להיות שווה לכמות במוצרים, ללא קשר לאופי השינוי הכימי.

• "​מסת המוצרים במשוואות כימיות שווה למסה של המגיבים"הוא הבסיס של הסטואיכומטריה, או התהליך החשבונאי לפיו תגובות כימיות ומשוואות מאוזנות מתמטית מבחינת המסה ומספר האטומים הן מכל צד.

קושי אחד שיכול להיות לאנשים עם חוק שמירת המסה הוא שגבולות החושים שלך הופכים כמה היבטים של החוק לאינטואיטיביים פחות.

לדוגמא, כאשר אתה אוכל קילו אוכל ושותה קילו נוזל, אתה עלול לשקול את אותו שש בערך לאחר מכן גם אם לא תלך לשירותים. זה בין השאר מכיוון שתרכובות פחמן במזון מומרות לפחמן דו חמצני (CO₂) ונשף בהדרגה באדי (בדרך כלל בלתי נראה) שבנשימתך.

בבסיסו, כמושג כימיה, חוק שימור המסה הוא חלק בלתי נפרד מהבנת מדע הפיסיקה, כולל פיזיקה. למשל, בבעיית מומנטום לגבי התנגשות, אנו יכולים להניח שהמסה הכוללת במערכת לא השתנתה ממה זה היה לפני ההתנגשות למשהו אחר אחרי ההתנגשות מכיוון שמסה - כמו מומנטום ואנרגיה - היא מְשׁוּמָר.

החוק שימור האנרגיהקובע כי האנרגיה הכוללת של מערכת מבודדת לעולם אינה משתנה, וזה יכול לבוא לידי ביטוי במספר דרכים. אחד מהם הוא KE (אנרגיה קינטית) + PE (אנרגיה פוטנציאלית) + אנרגיה פנימית (IE) = קבוע. חוק זה נובע מהחוק הראשון של התרמודינמיקה ומבטיח שלא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה, כמו מסה.

• הסכום של KE ו- PE נקראאנרגיה מכנית,והיא קבועה במערכות בהן פועלים רק כוחות שמרניים (כלומר כאשר לא "מבוזבזים" אנרגיה בצורה של אובדן חיכוך או חום).

​תְנוּפָה(Mv) ומומנטום זוויתי​ (​ל= מ 'vr) נשמרים גם בפיזיקה, והחוקים הרלוונטיים קובעים מאוד את התנהגותם של חלקיקים במכניקה אנליטית קלאסית.

החימום של סידן פחמתי, או CaCO₃, מייצר תרכובת סידן תוך שחרור גז מסתורי. נניח שיש לך 1 ק"ג (1,000 גרם) CaCO₃, ואתה מגלה שכאשר זה מחומם, נותרו 560 גרם מתרכובת הסידן.

מה ההרכב האפשרי של החומר הכימי הנותר בסידן, ומהי התרכובת ששוחררה כגז?

ראשית, מכיוון שמדובר למעשה בבעיה בכימיה, יהיה עליך להתייחס לטבלה מחזורית של אלמנטים (ראה דוגמה למשאבים).

אומרים לך שיש לך את 1,000 הגר 'הראשונים של CaCO₃. מהמסות המולקולריות של האטומים המרכיבים בטבלה רואים ש- Ca = 40 גרם למול, C = 12 גרם למול ו- O = 16 גרם / מול, מה שהופך את המסה המולקולרית של סידן פחמתי בכללותו ל 100 גרם / מול (זכור שיש שלושה אטומי חמצן בתוך CaCO₃). עם זאת, יש לך 1,000 גרם CaCO₃, שהוא 10 שומות של החומר.

בדוגמה זו, למוצר הסידן 10 מולקולות של אטומי Ca; מכיוון שכל אטום של Ca הוא 40 גרם למול, יש לך סך של 400 גרם Ca שאתה יכול להניח בבטחה שנשאר לאחר ה- CaCO₃ היה מחומם. לדוגמא זו, 160 גרם הנותרים (560 - 400) של תרכובת לאחר חימום מייצגים 10 שומות של אטומי חמצן. זה חייב להשאיר 440 גרם מסה כגז משוחרר.

המשוואה המאוזנת חייבת להיות בעלת הצורה

וה "?" גז חייב להכיל פחמן וחמצן בשילוב כלשהו; עליו להיות 20 מולקולות של אטומי חמצן - יש לך כבר 10 מולקולות של אטומי חמצן משמאל לסימן +, ולכן 10 מולקולות של אטומי פחמן. ה "?" הוא CO_2. (בעולם המדע של ימינו שמעת על פחמן דו חמצני, מה שהופך את הבעיה למשהו של תרגיל של מה בכך. אבל חשבו לתקופה בה אפילו מדענים כלל לא ידעו מה יש ב"אוויר ".)

תלמידי פיזיקה עשויים להיות מבולבלים מהמפורסמיםשימור משוואת אנרגיה המונית​ ​E = mc​² הונח על ידי אלברט איינשטיין בראשית המאה העשרים, ותוהה אם הוא מתנגד לחוק שימור המסה (או האנרגיה), מכיוון שנראה כי ניתן להמיר את המסה לאנרגיה ולהיפך.

אף חוק אינו מופר; במקום זאת החוק מאשר כי מסה ואנרגיה הם למעשה צורות שונות של אותו דבר.

זה בערך כמו למדוד אותם ביחידות שונות בהתחשב במצב.

אולי אינך יכול שלא להשוות באופן לא מודע מסה למשקל מהסיבות שתוארו לעיל - מסה היא משקל רק כאשר כוח הכבידה נמצא בתערובת, אך כאשר מניסיונך הוא כוח המשיכהלֹאנוכח (כשאתה נמצא על כדור הארץ ולא בחדר אפס כוח משיכה)?

קשה, אם כן, להבין את החומר כסתם דברים, כמו אנרגיה בפני עצמה, המצייתים לחוקים ועקרונות יסוד מסוימים.

כמו כן, כמו שאנרגיה יכולה לשנות צורות בין סוגים קינטיים, פוטנציאליים, חשמליים, תרמיים ואחרים, החומר עושה את אותו הדבר, אם כי צורות החומר השונות נקראותמדינות: מוצק, גז, נוזל ופלזמה.

אם אתה יכול לסנן כיצד החושים שלך תופסים את ההבדלים בכמויות אלה, ייתכן שתוכל להעריך כי ישנם מעט הבדלים בפיזיקה.

היכולת לקשור מושגים מרכזיים ב"מדעים הקשים "אולי נראית מפרכת בהתחלה, אך בסופו של דבר זה תמיד מרגש ומתגמל.