Wet van behoud van massa: definitie, formule, geschiedenis (met voorbeelden)

Een van de grote bepalende principes van de natuurkunde is dat veel van zijn belangrijkste eigenschappen onwrikbaar een belangrijk principe gehoorzamen: onder gemakkelijk te specificeren omstandigheden zijn zegeconserveerd, wat betekent dat de totale hoeveelheid van deze hoeveelheden in het door u gekozen systeem nooit verandert.

Vier veel voorkomende grootheden in de natuurkunde worden gekenmerkt door behoudswetten die op hen van toepassing zijn. Dit zijnenergie​, ​momentum​, ​impulsmomentenmassa-. De eerste drie hiervan zijn grootheden die vaak specifiek zijn voor mechanische problemen, maar massa is universeel, en de ontdekking – of demonstratie als het ware – dat massa behouden blijft, terwijl het enkele lang gekoesterde vermoedens in de wetenschappelijke wereld bevestigde, was van vitaal belang om bewijzen.

Dewet van behoud van massastelt dat in eengesloten systeem(inclusief het hele universum), kan massa niet worden gecreëerd of vernietigd door chemische of fysieke veranderingen. Met andere woorden,

Alle componenten van alle moleculen in elke huidcel die je ooit hebt afgestoten, met hun zuurstof-, waterstof-, stikstof-, zwavel- en koolstofatomen, bestaan ​​nog steeds. Net zoals de mysterieuze sciencefictionshowDe X bestandenverklaart over de waarheid, alle massa die ooit was "is daarbuiten"ergens​."

Het zou in plaats daarvan "de wet van behoud van materie" kunnen worden genoemd, omdat er, zonder zwaartekracht, niets bijzonders in de wereld is aan bijzonder "massieve" objecten; meer over dit belangrijke onderscheid volgt, aangezien de relevantie ervan moeilijk te overschatten is.

De ontdekking van de wet van behoud van massa werd in 1789 gedaan door de Franse wetenschapper Antoine Lavoisier; anderen hadden het idee al eerder bedacht, maar Lavoisier was de eerste om het te bewijzen.

In die tijd kwam veel van het heersende geloof in de chemie over atoomtheorie nog steeds van de oude Grieken, en dankzij recentere ideeën dacht men dat er iets in vuur was ("flogiston") was eigenlijk een stof. Dit, redeneerden wetenschappers, verklaarde waarom een ​​stapel as lichter is dan wat er ook werd verbrand om de as te produceren.

Lavoisier verwarmdkwikoxideen merkte op dat de hoeveelheid die het gewicht van de chemische stof afnam gelijk was aan het gewicht van het zuurstofgas dat vrijkwam bij de chemische reactie.

Voordat scheikundigen de massa's dingen konden verklaren die moeilijk te traceren waren, zoals waterdamp en sporengassen, ze konden de principes van materiebehoud niet adequaat testen, zelfs als ze vermoedden dat dergelijke wetten inderdaad van kracht waren operatie.

In elk geval bracht dit Lavoisier ertoe te stellen dat materie behouden moet blijven in chemische reacties, wat betekent dat de totale hoeveelheid materie aan elke kant van een chemische vergelijking hetzelfde is. Dit betekent dat het totale aantal atomen (maar niet noodzakelijk het totale aantal moleculen) in de reactanten gelijk moet zijn aan de hoeveelheid in de producten, ongeacht de aard van de chemische verandering.

• "​De massa van de producten in chemische vergelijkingen is gelijk aan de massa van de reactanten" is de basis van stoichiometrie, of het boekhoudproces waarmee chemische reacties en vergelijkingen wiskundig in evenwicht zijn in termen van zowel massa als aantal atomen aan elke kant.

Een probleem dat mensen kunnen hebben met de wet van behoud van massa, is dat de grenzen van je zintuigen sommige aspecten van de wet minder intuïtief maken.

Als u bijvoorbeeld een pond voedsel eet en een pond vocht drinkt, kunt u ongeveer zes uur later hetzelfde wegen, zelfs als u niet naar de badkamer gaat. Dit komt deels doordat koolstofverbindingen in voedsel worden omgezet in koolstofdioxide (CO₂) en geleidelijk uitgeademd in de (meestal onzichtbare) damp in uw adem.

In de kern, als een scheikundig concept, is de wet van behoud van massa een integraal onderdeel van het begrijpen van de natuurwetenschap, inclusief de natuurkunde. In een momentumprobleem over botsingen kunnen we bijvoorbeeld aannemen dat de totale massa in het systeem niet is veranderd ten opzichte van wat: het was vóór de botsing naar iets anders na de botsing omdat massa - zoals momentum en energie - is geconserveerd.

Dewet van behoud van energiestelt dat de totale energie van een geïsoleerd systeem nooit verandert, en dat kan op een aantal manieren worden uitgedrukt. Een daarvan is KE (kinetische energie) + PE (potentiële energie) + interne energie (IE) = een constante. Deze wet volgt uit de eerste wet van de thermodynamica en zorgt ervoor dat energie, net als massa, niet kan worden gecreëerd of vernietigd.

• De som van KE en PE heetmechanische energie,en is constant in systemen waarin alleen conservatieve krachten werken (dat wil zeggen, wanneer er geen energie wordt "verspild" in de vorm van wrijvings- of warmteverliezen).

​momentum(mv) enimpulsmoment​ (​L= mvr) zijn ook geconserveerd in de natuurkunde, en de relevante wetten bepalen in sterke mate het gedrag van deeltjes in de klassieke analytische mechanica.

De verwarming van calciumcarbonaat, of CaCO₃, produceert een calciumverbinding terwijl een mysterieus gas vrijkomt. Stel dat u 1 kg (1.000 g) CaCO. heeft₃, en je ontdekt dat bij verhitting 560 gram van de calciumverbinding overblijft.

Wat is de waarschijnlijke samenstelling van de resterende calciumchemische stof, en wat is de verbinding die als gas vrijkwam?

Ten eerste, aangezien dit in wezen een scheikundig probleem is, moet u verwijzen naar een periodiek systeem der elementen (zie bronnen voor een voorbeeld).

U wordt verteld dat u die eerste 1.000 g CaCO. heeft₃. Uit de molecuulmassa's van de samenstellende atomen in de tabel zie je dat Ca = 40 g/mol, C = 12 g/mol en O = 16 g/mol, waardoor de molecuulmassa van calciumcarbonaat als geheel 100 g/mol is (onthoud dat er drie zuurstofatomen in CaCO₃). Je hebt echter 1.000 g CaCO₃, dat is 10 mol van de stof.

In dit voorbeeld heeft het calciumproduct 10 mol Ca-atomen; omdat elk Ca-atoom 40 g/mol is, heb je in totaal 400 g Ca waarvan je veilig kunt aannemen dat die achterblijft na de CaCO₃ werd verwarmd. Voor dit voorbeeld vertegenwoordigt de resterende 160 g (560 - 400) naverwarmingsverbinding 10 mol zuurstofatomen. Dit moet 440 g massa als vrijgemaakt gas achterlaten.

De gebalanceerde vergelijking moet de vorm hebben

en de "?" gas moet in een bepaalde combinatie koolstof en zuurstof bevatten; het moet 20 mol zuurstofatomen hebben – je hebt al 10 mol zuurstofatomen links van het + teken – en dus 10 mol koolstofatomen. De "?" is CO_2. (In de huidige wetenschappelijke wereld heb je wel eens gehoord van koolstofdioxide, waardoor dit probleem een ​​triviale oefening wordt. Maar denk eens aan een tijd dat zelfs wetenschappers niet eens wisten wat er in 'lucht' zat.)

Natuurkundestudenten kunnen in de war raken door de beroemdebehoud van massa-energie vergelijking​ ​E = mc​² gepostuleerd door Albert Einstein in de vroege jaren 1900, zich afvragend of het de wet van behoud van massa (of energie) tart, aangezien het lijkt te impliceren dat massa kan worden omgezet in energie en vice versa.

Geen van beide wetten wordt overtreden; in plaats daarvan bevestigt de wet dat massa en energie eigenlijk verschillende vormen van hetzelfde zijn.

Het is een beetje alsof je ze in verschillende eenheden meet, gegeven de situatie.

Je kunt het misschien niet helpen, maar onbewust gelijkstellen van massa met gewicht om de hierboven beschreven redenen - massa is alleen gewicht als de zwaartekracht in de mix zit, maar wanneer in je ervaring zwaartekracht isnietaanwezig (wanneer je op aarde bent en niet in een ruimte zonder zwaartekracht)?

Het is dus moeilijk om materie op te vatten als gewoon materiaal, zoals energie op zich, dat aan bepaalde fundamentele wetten en principes gehoorzaamt.

Net zoals energie van vorm kan veranderen tussen kinetische, potentiële, elektrische, thermische en andere typen, doet materie hetzelfde, hoewel de verschillende vormen van materie worden genoemd.staten: vast, gas, vloeistof en plasma.

Als je kunt filteren hoe je eigen zintuigen de verschillen in deze grootheden waarnemen, zul je misschien begrijpen dat er weinig echte verschillen zijn in de fysica.

In staat zijn om belangrijke concepten in de 'harde wetenschappen' samen te brengen, lijkt in het begin misschien moeilijk, maar het is uiteindelijk altijd spannend en lonend.