Lov om bevaring av masse: definisjon, formel, historie (med eksempler)

En av de viktigste definerende prinsippene for fysikk er at mange av dens viktigste egenskaper ubestridelig adlyder et viktig prinsipp: Under lett spesifiserte forhold er debevart, noe som betyr at den totale mengden av disse mengdene i systemet du valgte aldri endres.

Fire vanlige mengder i fysikk er preget av å ha bevaringslover som gjelder for dem. Disse erenergi​, ​momentum​, ​vinkelmomentogmasse. De tre første av disse er mengder som ofte er spesifikke for mekaniske problemer, men masse er universell, og oppdagelsen - eller demonstrasjon, som det var - at masse er bevart, mens det bekreftet noen langvarige mistanker i vitenskapen, var viktig for bevise.

Delov om bevaring av massesier at, i enlukket system(inkludert hele universet), kan masse verken skapes eller ødelegges av kjemiske eller fysiske endringer. Med andre ord,total masse er alltid bevart. Den frekke maksimen "Det som går inn, må komme ut!" ser ut til å være en bokstavelig vitenskapelig truisme, da ingenting har blitt vist å bare forsvinne uten noe fysisk spor.

Alle komponentene i alle molekylene i hver hudcelle du noen gang har kastet, med oksygen, hydrogen, nitrogen, svovel og karbonatomer, eksisterer fortsatt. Akkurat som mysteriet science fiction viserX-Fileserklærer om sannheten, all masse som noen gang var "er der uteet sted​."

Det kan i stedet kalles "loven om bevaring av materie" fordi det, uten fravær av tyngdekraften, ikke er noe spesielt i verden om spesielt "massive" gjenstander; mer om dette viktige skillet følger, da relevansen er vanskelig å overdrive.

Oppdagelsen av loven om bevaring av masse ble gjort i 1789 av den franske forskeren Antoine Lavoisier; andre hadde kommet på ideen før, men Lavoisier var først til å bevise det.

På den tiden kom mye av den gjeldende troen på kjemi om atomteori fremdeles fra de gamle grekerne, og takket være nyere ideer ble det antatt at noe innenfor ild ("phlogiston") var faktisk et stoff. Dette begrunnet forskere hvorfor en haug med aske er lettere enn hva som ble brent for å produsere asken.

Lavoisier oppvarmetkvikksølvoksidog bemerket at mengden kjemikaliens vekt reduserte var lik vekten av oksygengassen som frigis i den kjemiske reaksjonen.

Før kjemikere kunne redegjøre for massene av ting som var vanskelige å spore, for eksempel vanndamp og sporgasser, de kunne ikke tilstrekkelig teste noen prinsipper for bevaring av saker, selv om de mistenkte at slike lover faktisk var i operasjon.

I alle fall førte dette Lavoisier til å si at materie må konserveres i kjemiske reaksjoner, noe som betyr at den totale mengden materie på hver side av en kjemisk ligning er den samme. Dette betyr at det totale antallet atomer (men ikke nødvendigvis det totale antallet molekyler) i reaktantene må være lik mengden i produktene, uavhengig av arten av den kjemiske endringen.

• "​Produktets masse i kjemiske ligninger er lik massen til reaktantene"er grunnlaget for støkiometri, eller regnskapsprosessen der kjemiske reaksjoner og ligninger balanseres matematisk når det gjelder både masse og antall atomer på hver side.

En vanskelighet folk kan ha med loven om bevaring av masse er at grensene for sansene dine gjør noen aspekter av loven mindre intuitive.

For eksempel, når du spiser et pund mat og drikker et pund væske, kan du veie det samme seks timer eller senere, selv om du ikke går på do. Dette er delvis fordi karbonforbindelser i mat omdannes til karbondioksid (CO₂) og pustes ut gradvis i den (vanligvis usynlige) dampen i pusten.

I kjernen, som et kjemikonsept, er loven om bevaring av masse integrert i forståelsen av naturvitenskap, inkludert fysikk. For eksempel, i et momentumproblem om kollisjon, kan vi anta at den totale massen i systemet ikke har endret seg fra hva det var før kollisjonen til noe annet etter kollisjonen fordi masse - som momentum og energi - er bevart.

Delov om energibesparelsesier at total energi i et isolert system aldri endres, og det kan uttrykkes på flere måter. En av disse er KE (kinetisk energi) + PE (potensiell energi) + intern energi (IE) = en konstant. Denne loven følger av termodynamikkens første lov og forsikrer at energi, som masse, ikke kan skapes eller ødelegges.

• Summen av KE og PE kallesmekanisk energi,og er konstant i systemer der bare konservative krefter virker (det vil si når ingen energi blir "bortkastet" i form av friksjon eller varmetap).

​Momentum(mv) ogvinkelmoment​ (​L= mvr) er også bevart i fysikk, og de relevante lovene bestemmer sterkt mye av partiklens oppførsel i klassisk analytisk mekanikk.

Oppvarming av kalsiumkarbonat, eller CaCO₃, produserer en kalsiumforbindelse mens den frigjør en mystisk gass. La oss si at du har 1 kg (1000 g) CaCO₃, og du oppdager at når dette blir oppvarmet, gjenstår 560 gram av kalsiumforbindelsen.

Hva er den sannsynlige sammensetningen av det gjenværende kalsiumkjemiske stoffet, og hva er forbindelsen som ble frigjort som gass?

For det første, siden dette egentlig er et kjemiproblem, må du referere til en periodisk tabell med elementer (se Ressurser for et eksempel).

Du blir fortalt at du har de første 1000 g CaCO₃. Fra molekylmassene til bestanddelene i tabellen ser du at Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol, og O = 16 g / mol, noe som gjør den molekylære massen av kalsiumkarbonat som helhet 100 g / mol (husk at det er tre oksygenatomer i CaCO₃). Du har imidlertid 1000 g CaCO₃, som er 10 mol av stoffet.

I dette eksemplet har kalsiumproduktet 10 mol Ca-atomer; fordi hvert Ca-atom er 40 g / mol, har du 400 g totalt Ca som du trygt kan anta var igjen etter CaCO₃ var oppvarmet. For dette eksemplet representerer de resterende 160 g (560 - 400) etteroppvarmingsforbindelse 10 mol oksygenatomer. Dette må etterlate 440 g masse som frigjort gass.

Den balanserte ligningen må ha formen

og "?" gass ​​må inneholde karbon og oksygen i en eller annen kombinasjon; den må ha 20 mol oksygenatomer - du har allerede 10 mol oksygenatomer til venstre for + tegnet - og derfor 10 mol karbonatomer. "?" er CO_2. (I dagens vitenskapelige verden har du hørt om karbondioksid, noe som gjør dette problemet til en triviell øvelse. Men tenk på en tid da selv forskere ikke en gang visste hva som var i "luften.")

Fysikkstudenter kan være forvirret av den berømtebevaring av masse-energi ligning​ ​E = mc​² postulert av Albert Einstein på begynnelsen av 1900-tallet og lurte på om det trosser loven om bevaring av masse (eller energi), siden det ser ut til å antyde at masse kan konverteres til energi og omvendt.

Ingen av lovene er brutt; i stedet bekrefter loven at masse og energi faktisk er forskjellige former for det samme.

Det er som å måle dem i forskjellige enheter gitt situasjonen.

Du kan kanskje ikke unngå å ubevisst likestille masse med vekt av årsakene som er beskrevet ovenfor - masse er bare vekt når tyngdekraften er i blandingen, men når du erfarer er tyngdekraftenikketil stede (når du er på jorden og ikke i et tyngdekraftkammer)?

Det er derfor vanskelig å tenke på materie som bare ting, som energi i seg selv, som adlyder visse grunnleggende lover og prinsipper.

Akkurat som energi kan endre former mellom kinetiske, potensielle, elektriske, termiske og andre typer, gjør materie det samme, selv om de forskjellige materialformene kallesfastslår: fast stoff, gass, væske og plasma.

Hvis du kan filtrere hvordan dine sanser oppfatter forskjellene i disse mengdene, kan du kanskje forstå at det er få faktiske forskjeller i fysikken.

Å kunne knytte hovedkonsepter sammen i "harde vitenskaper" kan virke vanskelig i begynnelsen, men det er alltid spennende og givende til slutt.