Prawo zachowania masy: definicja, formuła, historia (z przykładami)

Jedną z wielkich zasad definiujących fizykę jest to, że wiele z jej najważniejszych właściwości jest niezłomnie posłusznych ważnej zasadzie: w łatwo określonych warunkach są onekonserwowany, co oznacza, że ​​całkowita ilość tych ilości zawartych w wybranym systemie nigdy się nie zmienia.

Cztery powszechnie występujące w fizyce wielkości charakteryzują się prawami zachowania, które mają do nich zastosowanie. To sąenergia​, ​pęd​, ​moment pęduimasa. Pierwsze trzy z nich to wielkości często specyficzne dla problemów mechaniki, ale masa jest uniwersalna, a odkrycie – lub niejako wykazanie, że masa jest zachowana, przy jednoczesnym potwierdzeniu pewnych od dawna podejrzeń w świecie nauki, było niezbędne do okazać się.

Prawo zachowania masystwierdza, że ​​wzamknięty system(łącznie z całym wszechświatem), masy nie można stworzyć ani zniszczyć przez zmiany chemiczne lub fizyczne. Innymi słowy,masa całkowita jest zawsze zachowana. Bezczelna maksyma „Co wchodzi, musi wyjść!” wydaje się być dosłownym naukowym truizmem, ponieważ nigdy nie wykazano, by po prostu znikało bez fizycznego śladu.

Wszystkie składniki wszystkich molekuł w każdej komórce skóry, którą kiedykolwiek zrzuciłeś, wraz z atomami tlenu, wodoru, azotu, siarki i węgla nadal istnieją. Tak jak w tajemniczym serialu science fictionPliki xoświadcza o prawdzie, cała masa, która kiedykolwiek była „tam jestgdzieś​."

Można by je nazwać „prawem zachowania materii”, ponieważ przy braku grawitacji nie ma na świecie nic szczególnego w szczególnie „masywnych” obiektach; więcej na temat tego ważnego rozróżnienia poniżej, ponieważ jego znaczenie jest trudne do przecenienia.

Odkrycia prawa zachowania masy dokonał w 1789 roku francuski naukowiec Antoine Lavoisier; inni wpadli na ten pomysł już wcześniej, ale Lavoisier jako pierwszy to udowodnił.

W tamtym czasie większość dominujących przekonań chemii na temat teorii atomowej nadal pochodziła od starożytnych Greków, a dzięki nowszym pomysłom uważano, że coś w ogniu ("flogiston”) był w rzeczywistości substancją. To, rozumowali naukowcy, wyjaśniało, dlaczego stos popiołów jest lżejszy niż to, co zostało spalone, aby powstał popiół.

Lavoisier podgrzewanytlenek rtęcii zauważył, że ilość zmniejszonej masy substancji chemicznej była równa masie gazowego tlenu uwolnionego w reakcji chemicznej.

Zanim chemicy mogli wyjaśnić masę rzeczy, które były trudne do śledzenia, takie jak para wodna i gazy śladowe, nie byli w stanie odpowiednio przetestować żadnych zasad ochrony materii, nawet jeśli podejrzewali, że takie prawa rzeczywiście są w mocy operacja.

W każdym razie doprowadziło to Lavoisiera do stwierdzenia, że ​​materia musi być zachowana w reakcjach chemicznych, co oznacza, że ​​całkowita ilość materii po każdej stronie równania chemicznego jest taka sama. Oznacza to, że całkowita liczba atomów (ale niekoniecznie całkowita liczba cząsteczek) w reagentach musi być równa ilości w produktach, niezależnie od charakteru zmiany chemicznej.

• "​Masa produktów w równaniach chemicznych jest równa masie reagentów" jest podstawą stechiometrii lub procesu księgowania, w którym reakcje chemiczne i równania są matematycznie zrównoważone zarówno pod względem masy, jak i liczby atomów po każdej stronie.

Jedną z trudności, jakie ludzie mogą mieć z prawem zachowania masy, jest to, że ograniczenia zmysłów sprawiają, że niektóre aspekty tego prawa są mniej intuicyjne.

Na przykład, kiedy zjesz pół kilo jedzenia i wypijesz pół kilo płynu, możesz ważyć tyle samo mniej więcej sześć godzin później, nawet jeśli nie idziesz do łazienki. Dzieje się tak po części dlatego, że związki węgla w żywności są przekształcane w dwutlenek węgla (CO₂) i wydychaj stopniowo (zwykle niewidoczną) parę w twoim oddechu.

W swej istocie, jako koncepcja chemii, prawo zachowania masy jest integralną częścią zrozumienia nauk fizycznych, w tym fizyki. Na przykład, w problemie pędu dotyczącym kolizji, możemy założyć, że całkowita masa w układzie nie zmieniła się z tego, co to było przed zderzeniem na coś innego po zderzeniu, ponieważ masa – jak pęd i energia – jest konserwowane.

prawo zachowania energiistwierdza, że ​​całkowita energia systemu izolowanego nigdy się nie zmienia i można to wyrazić na wiele sposobów. Jednym z nich jest KE (energia kinetyczna) + PE (energia potencjalna) + energia wewnętrzna (IE) = stała. Prawo to wynika z pierwszej zasady termodynamiki i zapewnia, że ​​energia, podobnie jak masa, nie może zostać stworzona ani zniszczona.

• Suma KE i PE nazywa sięenergia mechaniczna,i jest stała w układach, w których działają tylko siły zachowawcze (to znaczy, gdy energia nie jest „marnowana” w postaci tarcia lub strat ciepła).

​Pęd(mv) imoment pędu​ (​L= mvr) są również zachowane w fizyce, a odpowiednie prawa silnie określają zachowanie cząstek w klasycznej mechanice analitycznej.

Ogrzewanie węglanu wapnia lub CaCO₃, wytwarza związek wapnia, uwalniając tajemniczy gaz. Załóżmy, że masz 1 kg (1000 g) CaCO₃i odkrywasz, że po podgrzaniu pozostaje 560 gramów związku wapnia.

Jaki jest prawdopodobny skład pozostałej substancji chemicznej wapnia i jaki jest związek, który został uwolniony jako gaz?

Po pierwsze, ponieważ jest to zasadniczo problem chemiczny, musisz odwołać się do układu okresowego pierwiastków (patrz Zasoby dla przykładu).

Powiedziano Ci, że masz początkowe 1000 g CaCO₃. Z mas cząsteczkowych atomów składowych w tabeli widać, że Ca = 40 g/mol, C = 12 g/mol i O = 16 g/mol, co daje masę cząsteczkową węglanu wapnia jako całość 100 g/mol (pamiętaj, że w CaCO₃). Masz jednak 1000 g CaCO₃, czyli 10 moli substancji.

W tym przykładzie produkt wapniowy zawiera 10 moli atomów Ca; ponieważ każdy atom Ca ma 40 g/mol, masz łącznie 400 g Ca, które można bezpiecznie założyć, że zostało po CaCO₃ był podgrzewany. W tym przykładzie pozostałe 160 g (560 – 400) związku po ogrzaniu to 10 moli atomów tlenu. Musi to pozostawić 440 g masy jako uwolniony gaz.

Zrównoważone równanie musi mieć postać

i „?” gaz musi zawierać w jakiejś kombinacji węgiel i tlen; musi mieć 20 moli atomów tlenu – masz już 10 moli atomów tlenu na lewo od znaku + – a więc 10 moli atomów węgla. Znak „?” jest CO_2. (W dzisiejszym świecie nauki słyszeliście o dwutlenku węgla, co czyni ten problem trywialnym ćwiczeniem. Ale pomyśl o czasach, kiedy nawet naukowcy nawet nie wiedzieli, co jest w „powietrzu”).

Studenci fizyki mogą być zdezorientowani przez słynnązachowanie równania masa-energia​ ​E = mc​² postulowany przez Alberta Einsteina na początku XX wieku, zastanawiając się, czy jest sprzeczny z prawem zachowania masy (lub energii), ponieważ wydaje się sugerować, że masę można przekształcić w energię i vice versa.

Żadne prawo nie jest łamane; zamiast tego prawo potwierdza, że ​​masa i energia są w rzeczywistości różnymi formami tej samej rzeczy.

To trochę jak mierzenie ich w różnych jednostkach w danej sytuacji.

Być może nie możesz pomóc, ale nieświadomie utożsamiasz masę z wagą z powodów opisanych powyżej – masa jest tylko ciężarem, gdy grawitacja jest w mieszance, ale gdy w twoim doświadczeniu jest grawitacjanieobecny (gdy jesteś na Ziemi, a nie w komorze o zerowej grawitacji)?

Trudno zatem wyobrazić sobie materię jako zwykłą substancję, taką jak sama energia, która podlega pewnym podstawowym prawom i zasadom.

Podobnie jak energia może zmieniać formy między kinetycznymi, potencjalnymi, elektrycznymi, termicznymi i innymi rodzajami, materia robi to samo, chociaż różne formy materii są nazywanestany: ciała stałego, gazu, cieczy i plazmy.

Jeśli potrafisz filtrować, w jaki sposób twoje zmysły postrzegają różnice w tych wielkościach, możesz docenić, że w fizyce jest niewiele rzeczywistych różnic.

Umiejętność powiązania głównych koncepcji w „naukach twardych” może początkowo wydawać się żmudna, ale na końcu zawsze jest ekscytująca i satysfakcjonująca.