Закон сохранения массы: определение, формула, история (с примерами)

Один из великих определяющих принципов физики состоит в том, что многие из ее наиболее важных свойств неуклонно подчиняются важному принципу: в легко определяемых условиях они являютсясохраненный, что означает, что общее количество этих количеств, содержащихся в выбранной вами системе, никогда не меняется.

Четыре общие величины в физике характеризуются наличием применимых к ним законов сохранения. Этиэнергия​, ​импульс​, ​угловой момента такжемасса. Первые три из них являются величинами, часто специфичными для задач механики, но масса универсальна, и открытие - или демонстрация того, что масса сохраняется, одновременно подтверждая некоторые давние подозрения в научном мире, была жизненно важна для доказывать.

Взакон сохранения массызаявляет, что взакрытая система(включая всю вселенную), масса не может быть ни создана, ни разрушена химическими или физическими изменениями. Другими словами,общая масса всегда сохраняется. Дерзкий изречение «Что входит, должно выходить!» кажется буквальным научным трюизмом, поскольку никогда не было доказано, что ничто просто не исчезает без каких-либо физических следов.

Все компоненты всех молекул в каждой клетке кожи, которую вы когда-либо теряли, с их атомами кислорода, водорода, азота, серы и углерода, все еще существуют. Так же, как загадочное научно-фантастическое шоуСекретные материалызаявляет о правде, вся масса, которая когда-либо была, "тамгде-то​."

Вместо этого его можно было бы назвать «законом сохранения материи», потому что в отсутствие гравитации в особо «массивных» объектах нет ничего особенного; подробнее об этом важном различии следует ниже, поскольку его актуальность трудно переоценить.

Открытие закона сохранения массы было сделано в 1789 году французским ученым Антуаном Лавуазье; другие выдвигали эту идею раньше, но Лавуазье был первым, кто ее доказал.

В то время большая часть преобладающего мнения в химии о теории атома все еще исходила от древних греков, и благодаря более поздним идеям считалось, что что-то внутри огня ("флогистон") на самом деле было веществом. По мнению ученых, это объясняет, почему куча пепла легче того, что было сожжено для образования пепла.

Лавуазье с подогревомоксид ртутии отметил, что количество уменьшенного веса химического вещества было равно весу газообразного кислорода, выделившегося в химической реакции.

Прежде чем химики смогли объяснить массу вещей, которые было трудно отследить, таких как водяной пар и следовые газы, они не могли адекватно проверить какие-либо принципы сохранения материи, даже если они подозревали, что такие законы действительно существуют. операция.

В любом случае это привело Лавуазье к утверждению, что материя должна сохраняться в химических реакциях, что означает, что общее количество вещества на каждой стороне химического уравнения одинаково. Это означает, что общее количество атомов (но не обязательно общее количество молекул) в реагентах должно равняться количеству в продуктах, независимо от природы химического изменения.

• "​Масса продуктов в химических уравнениях равна массе реагентов.«является основой стехиометрии или процесса учета, с помощью которого химические реакции и уравнения математически уравновешиваются как по массе, так и по количеству атомов на каждой стороне.

Одна из трудностей, с которыми люди могут столкнуться с законом сохранения массы, заключается в том, что пределы ваших чувств делают некоторые аспекты закона менее интуитивными.

Например, когда вы съедаете полкило еды и выпиваете полкило жидкости, вы можете весить столько же через шесть часов или около того, даже если не пойдете в туалет. Отчасти это связано с тем, что соединения углерода в пище превращаются в диоксид углерода (CO₂) и постепенно выдыхайте (обычно невидимый) пар в вашем дыхании.

По своей сути, как химическая концепция, закон сохранения массы является неотъемлемой частью понимания физической науки, включая физику. Например, в задаче об импульсе о столкновении мы можем предположить, что общая масса системы не изменилась по сравнению с той, которая это было до столкновения с чем-то другим после столкновения, потому что масса - как импульс и энергия - законсервировано.

Взакон сохранения энергииутверждает, что полная энергия изолированной системы никогда не изменяется, и это можно выразить разными способами. Один из них - KE (кинетическая энергия) + PE (потенциальная энергия) + внутренняя энергия (IE) = константа. Этот закон следует из первого закона термодинамики и гарантирует, что энергия, как и масса, не может быть создана или уничтожена.

• Сумма KE и PE называетсямеханическая энергия,и является постоянным в системах, в которых действуют только консервативные силы (то есть, когда энергия не «тратится впустую» в виде потерь на трение или тепла).

​Импульс(мv) а такжеугловой момент​ (​L= мvr) также сохраняются в физике, и соответствующие законы во многом определяют поведение частиц в классической аналитической механике.

Нагревание карбоната кальция или CaCO₃, производит соединение кальция, высвобождая таинственный газ. Допустим, у вас есть 1 кг (1000 г) CaCO.₃, и вы обнаруживаете, что при нагревании остается 560 граммов соединения кальция.

Каков вероятный состав оставшегося химического вещества кальция и какое соединение образовалось в виде газа?

Во-первых, поскольку это, по сути, химическая проблема, вам нужно обратиться к периодической таблице элементов (см. Пример в разделе Ресурсы).

Вам говорят, что у вас есть начальные 1000 г CaCO₃. Из молекулярных масс составляющих атомов в таблице видно, что Ca = 40 г / моль, C = 12 г / моль и O = 16 г / моль, что делает молекулярную массу карбоната кальция в целом 100 г / моль (помните, что в CaCO₃). Однако у вас есть 1000 г CaCO₃, что составляет 10 моль вещества.

В этом примере кальций-продукт имеет 10 моль атомов Са; поскольку каждый атом Ca составляет 40 г / моль, у вас есть 400 г Ca, которые, как вы можете смело предположить, остались после CaCO₃ нагревался. В этом примере оставшиеся 160 г (560-400) соединения после нагревания представляют 10 моль атомов кислорода. Это должно оставить 440 г массы в виде выделенного газа.

Сбалансированное уравнение должно иметь вид

и "?" газ должен содержать углерод и кислород в некоторой комбинации; в нем должно быть 20 молей атомов кислорода - у вас уже есть 10 молей атомов кислорода слева от знака + - и, следовательно, 10 молей атомов углерода. Знак "?" CO_2. (В современном научном мире вы слышали о двуокиси углерода, что делает эту проблему чем-то вроде тривиального упражнения. Но подумайте о том времени, когда даже ученые даже не знали, что находится в «воздухе».)

Студенты-физики могут быть сбиты с толку знаменитымуравнение сохранения массы-энергии​ ​E = mc​² постулировал Альберт Эйнштейн в начале 1900-х годов, задаваясь вопросом, противоречит ли оно закону сохранения массы (или энергии), поскольку, кажется, подразумевает, что масса может быть преобразована в энергию и наоборот.

Ни один закон не нарушен; вместо этого закон утверждает, что масса и энергия на самом деле являются разными формами одного и того же.

Это похоже на их измерение в разных единицах в зависимости от ситуации.

Возможно, вы не можете не отождествлять массу с весом по причинам, описанным выше: масса - это вес только тогда, когда в смеси присутствует гравитация, но когда в вашем опыте есть гравитациянетприсутствует (когда вы на Земле, а не в камере с невесомостью)?

Таким образом, трудно представить себе материю как нечто такое, как энергия сама по себе, которая подчиняется определенным фундаментальным законам и принципам.

Точно так же, как энергия может менять форму между кинетическим, потенциальным, электрическим, тепловым и другими типами, материя делает то же самое, хотя различные формы материи называютсясостояния: твердое тело, газ, жидкость и плазма.

Если вы сможете отфильтровать то, как ваши собственные органы чувств воспринимают различия в этих величинах, вы сможете понять, что реальных различий в физике немного.

Возможность связать основные концепции вместе в «точных науках» может сначала показаться сложной задачей, но в конце концов это всегда увлекательно и полезно.