Legea conservării masei: definiție, formulă, istorie (cu exemple)

Unul dintre marile principii definitorii ale fizicii este că multe dintre cele mai importante proprietăți ale sale respectă necontenit un principiu important: în condiții ușor de specificat, acestea suntconservat, adică cantitatea totală a acestor cantități conținute în sistemul pe care l-ați ales nu se modifică niciodată.

Patru cantități obișnuite în fizică se caracterizează prin faptul că au legi de conservare care se aplică acestora. Acestea suntenergie​, ​impuls​, ​impuls unghiularșimasa. Primele trei dintre acestea sunt cantități deseori specifice problemelor mecanice, dar masa este universală, iar descoperirea - sau demonstrarea, ca și cum ar fi - că masa este conservată, confirmând în același timp unele suspiciuni de lungă durată în lumea științei, a fost vitală pentru dovedi.

legea conservării maseiafirmă că, într-unsistem închis(inclusiv întregul univers), masa nu poate fi nici creată, nici distrusă prin schimbări chimice sau fizice. Cu alte cuvinte,masa totală este întotdeauna conservată

Toate componentele tuturor moleculelor din fiecare celulă a pielii pe care le-ați vărsat vreodată, cu atomii lor de oxigen, hidrogen, azot, sulf și carbon, există încă. Așa cum arată misterul science fictionFișierele Xdeclară despre adevăr, toată masa care a fost vreodată „este acoloundeva​."

Ar putea fi numită în schimb „legea conservării materiei”, deoarece, în absența gravitației, nu există nimic special în lume cu privire la obiectele mai ales „masive”; urmează mai multe detalii despre această importantă distincție, deoarece relevanța sa este dificil de exagerat.

Descoperirea legii conservării masei a fost făcută în 1789 de către omul de știință francez Antoine Lavoisier; alții au venit cu ideea înainte, dar Lavoisier a fost primul care a dovedit-o.

La acea vreme, o mare parte din credința predominantă în chimie despre teoria atomică venea încă de la grecii antici și, datorită ideilor mai recente, s-a crezut că ceva din foc („flogiston") a fost de fapt o substanță. Acest lucru, au argumentat oamenii de știință, a explicat de ce o grămadă de cenușă este mai ușoară decât orice a fost ars pentru a produce cenușa.

Lavoisier încălzitoxid mercuricși a observat că cantitatea de greutate a substanței chimice a scăzut a fost egală cu greutatea oxigenului gazos eliberat în reacția chimică.

Înainte ca chimiștii să poată explica masele de lucruri dificil de urmărit, cum ar fi vaporii de apă și urmele de gaze, ei nu au putut testa în mod adecvat niciunul dintre principiile de conservare a problemelor, chiar dacă au suspectat că astfel de legi sunt într-adevăr Operațiune.

În orice caz, acest lucru l-a determinat pe Lavoisier să afirme că materia trebuie conservată în reacțiile chimice, adică cantitatea totală de materie de pe fiecare parte a unei ecuații chimice este aceeași. Aceasta înseamnă că numărul total de atomi (dar nu neapărat numărul total de molecule) din reactanți trebuie să fie egal cu cantitatea din produse, indiferent de natura modificării chimice.

• "​Masa produselor din ecuații chimice este egală cu masa reactanților„este baza stoichiometriei sau a procesului contabil prin care reacțiile chimice și ecuațiile sunt echilibrate matematic atât din punct de vedere al masei, cât și al numărului de atomi de pe fiecare parte.

O dificultate pe care o pot avea oamenii cu legea conservării masei este că limitele simțurilor tale fac ca unele aspecte ale legii să fie mai puțin intuitive.

De exemplu, atunci când mănânci o kilogramă de alimente și bei o kilogramă de lichid, s-ar putea să cântărești același șase ore mai târziu, chiar dacă nu mergi la baie. Acest lucru se datorează în parte faptului că compușii de carbon din alimente sunt transformați în dioxid de carbon (CO₂) și a expirat treptat în vaporii (de obicei invizibili) din respirația ta.

În esență, ca concept de chimie, legea conservării masei este esențială pentru înțelegerea științei fizice, inclusiv a fizicii. De exemplu, într-o problemă de impuls cu privire la coliziune, putem presupune că masa totală din sistem nu s-a schimbat față de ce a fost înainte de coliziune la ceva diferit după coliziune, deoarece masa - precum impulsul și energia - este conservat.

legea conservării energieiafirmă că energia totală a unui sistem izolat nu se schimbă niciodată și că poate fi exprimată în mai multe moduri. Una dintre acestea este KE (energie cinetică) + PE (energie potențială) + energie internă (IE) = o constantă. Această lege rezultă din prima lege a termodinamicii și asigură că energia, la fel ca masa, nu poate fi creată sau distrusă.

• Suma KE și PE se numeșteenergie mecanică,și este constant în sistemele în care acționează doar forțe conservatoare (adică atunci când nu se „irosește” energie sub formă de pierderi de frecare sau de căldură).

​Impuls(mv) șiimpuls unghiular​ (​L= mvr) sunt, de asemenea, conservate în fizică, iar legile relevante determină puternic o mare parte din comportamentul particulelor în mecanica analitică clasică.

Încălzirea carbonatului de calciu sau CaCO₃, produce un compus de calciu în timp ce eliberează un gaz misterios. Să presupunem că aveți 1 kg (1.000 g) de CaCO₃, și descoperiți că atunci când acesta este încălzit, rămân 560 de grame de compus de calciu.

Care este compoziția probabilă a substanței chimice rămase din calciu și care este compusul care a fost eliberat ca gaz?

În primul rând, deoarece aceasta este în esență o problemă chimică, va trebui să faceți referire la un tabel periodic de elemente (a se vedea Resurse pentru un exemplu).

Vi se spune că aveți inițial 1.000 g de CaCO₃. Din masele moleculare ale atomilor constitutivi din tabel, vedeți că Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol și O = 16 g / mol, formând masa moleculară a carbonatului de calciu în ansamblu 100 g / mol (amintiți-vă că există trei atomi de oxigen în CaCO₃). Cu toate acestea, aveți 1.000 g de CaCO₃, care reprezintă 10 moli din substanță.

În acest exemplu, produsul de calciu are 10 moli de atomi de Ca; deoarece fiecare atom de Ca are 40 g / mol, aveți 400 g total de Ca pe care îl puteți presupune în siguranță că a fost lăsat după CaCO₃ a fost încălzit. Pentru acest exemplu, restul de 160 g (560 - 400) de compus post-încălzire reprezintă 10 moli de atomi de oxigen. Aceasta trebuie să lase 440 g de masă ca gaz eliberat.

Ecuația echilibrată trebuie să aibă forma

si "?" gazul trebuie să conțină carbon și oxigen într-o combinație; trebuie să aibă 20 de moli de atomi de oxigen - aveți deja 10 moli de atomi de oxigen în stânga semnului + - și, prin urmare, 10 moli de atomi de carbon. „?” este CO_2. (În lumea științei de astăzi, ați auzit de dioxidul de carbon, făcând din această problemă un exercițiu banal. Dar gândiți-vă la un moment în care nici oamenii de știință nici nu știau ce este în „aer”.)

Studenții la fizică ar putea fi confundați de faimosconservarea ecuației masă-energie​ ​E = mc​² postulat de Albert Einstein la începutul anilor 1900, întrebându-se dacă sfidează legea conservării masei (sau energiei), întrucât pare să implice că masa poate fi convertită în energie și invers.

Nici o lege nu este încălcată; în schimb, legea afirmă că masa și energia sunt de fapt forme diferite ale aceluiași lucru.

Este un fel ca măsurarea lor în diferite unități, având în vedere situația.

Poate că nu poți să nu echivalezi inconștient masa cu greutatea din motivele descrise mai sus - masa este doar greutatea atunci când gravitația este în amestec, dar când în experiența ta este gravitațianuprezent (când sunteți pe Pământ și nu într-o cameră cu gravitație zero)?

Este greu, deci, să concepem materia ca lucruri simple, cum ar fi energia în sine, care respectă anumite legi și principii fundamentale.

De asemenea, la fel cum energia poate schimba formele dintre tipurile cinetice, potențiale, electrice, termice și alte tipuri, materia face același lucru, deși diferitele forme de materie sunt numitestări: solid, gazos, lichid și plasmă.

Dacă puteți filtra modul în care propriile simțuri percep diferențele dintre aceste cantități, s-ar putea să puteți aprecia că există puține diferențe reale în fizică.

Posibilitatea de a lega concepte majore în „științele dure” poate părea dificilă la început, dar este întotdeauna captivantă și plină de satisfacții în cele din urmă.