Zákon zachovania hmotnosti: definícia, vzorec, história (s príkladmi)

Jedným z hlavných definujúcich princípov fyziky je, že mnohé z jej najdôležitejších vlastností sa neochvejne podriaďujú dôležitému princípu: Za ľahko stanovených podmienok súkonzervované, čo znamená, že celkové množstvo týchto množstiev obsiahnutých v systéme, ktorý ste si vybrali, sa nikdy nezmení.

Štyri bežné veličiny vo fyzike sa vyznačujú zákonmi ochrany, ktoré sa na ne vzťahujú. Toto súenergie​, ​spád​, ​moment hybnostiaomša. Prvé tri z nich sú veličiny často špecifické pre problémy mechaniky, ale hmotnosť je univerzálna a objav - alebo demonštrácia - že masa je konzervovaná, zatiaľ čo sa potvrdzuje niekoľko dlhodobých podozrení vo svete vedy, bolo nevyhnutné pre dokázať.

Thezákon zachovania hmotnostiuvádza, že v auzavretý systém(vrátane celého vesmíru) hmota nemôže byť vytvorená ani zničená chemickými alebo fyzikálnymi zmenami. Inými slovami,celková hmotnosť je vždy zachovaná. Drzá maxima „Čo vojde, musí vyjsť!“ sa javí ako doslovný vedecký truizmus, pretože nikdy nebolo preukázané, že by niečo jednoducho zmizlo bez akejkoľvek fyzickej stopy.

Všetky zložky všetkých molekúl v každej bunke kože, ktoré ste kedy vyhodili, s ich atómami kyslíka, vodíka, dusíka, síry a uhlíka, stále existujú. Rovnako ako ukazuje záhadná sci-fiAkty X.deklaruje pravdu, všetka masa, aká kedy bola „je tam vonkuniekde​."

Dalo by sa to nazvať „zákonom zachovania hmoty“, pretože pri absencii gravitácie nie je na svete nič zvláštne na obzvlášť „masívnych“ objektoch; nasleduje viac tohto dôležitého rozlišovania, pretože je ťažké nadhodnotiť jeho význam.

Objav zákona o zachovaní hmotnosti urobil v roku 1789 francúzsky vedec Antoine Lavoisier; iní prišli s týmto nápadom už skôr, ale ako prvý to dokázal Lavoisier.

V tom čase ešte stále prevládala viera v chémiu o atómovej teórii od starých Grékov a vďaka novším myšlienkam sa predpokladalo, že niečo v ohni („phlogiston„) bola v skutočnosti látka. To, vedci zdôvodnili, vysvetlilo, prečo je hromada popola ľahšia ako čokoľvek, čo bolo spálené na výrobu popola.

Lavoisier vyhrievanýoxid ortutnatýa poznamenal, že množstvo, ktoré znížila hmotnosť chemikálie, sa rovnalo hmotnosti plynného kyslíka uvoľneného pri chemickej reakcii.

Predtým, ako chemici mohli zodpovedať za hromadu vecí, ktoré bolo ťažké sledovať, ako sú vodné pary a stopové plyny, nemohli adekvátne otestovať žiadne princípy ochrany hmoty, aj keď mali podozrenie, že tieto zákony skutočne sú v prevádzka.

To v každom prípade viedlo Lavoisiera k tvrdeniu, že hmota sa musí konzervovať v chemických reakciách, čo znamená, že celkové množstvo hmoty na každej strane chemickej rovnice je rovnaké. To znamená, že celkový počet atómov (nie však nevyhnutne celkový počet molekúl) v reaktantoch sa musí rovnať množstvu v produktoch bez ohľadu na povahu chemickej zmeny.

• "​Hmotnosť produktov v chemických rovniciach sa rovná hmotnosti reaktantov„je základom stechiometrie alebo účtovného procesu, pomocou ktorého sú chemické reakcie a rovnice matematicky vyvážené z hľadiska hmotnosti aj počtu atómov na každej strane.

Jeden problém, ktorý môžu mať ľudia so zákonom zachovania hmotnosti, je ten, že hranice vašich zmyslov spôsobujú, že niektoré aspekty zákona sú menej intuitívne.

Napríklad, keď zjete pol kila jedla a vypijete pol kila tekutiny, môžete vážiť asi o šesť hodín neskôr, aj keď nejdete na toaletu. Je to čiastočne preto, lebo zlúčeniny uhlíka v potravinách sa premieňajú na oxid uhličitý (CO₂) a vydychovaný postupne (zvyčajne neviditeľnou) parou v dychu.

Vo svojej podstate, ako chemický koncept, je zákon zachovania hmotnosti neoddeliteľnou súčasťou porozumenia fyzikálnych vied vrátane fyziky. Napríklad pri probléme s nárazom o kolízii môžeme predpokladať, že celková hmotnosť v systéme sa nezmenila od čoho pred zrážkou to bolo niečo iné, pretože hmota - ako hybnosť a energia - je konzervované.

Thezákon zachovania energieuvádza, že celková energia izolovaného systému sa nikdy nezmení, čo sa dá vyjadriť mnohými spôsobmi. Jedným z nich je KE (kinetická energia) + PE (potenciálna energia) + vnútorná energia (IE) = konštanta. Tento zákon vyplýva z prvého zákona termodynamiky a zaručuje, že energiu, podobne ako hmotu, nemožno vytvoriť alebo zničiť.

• Vyvolá sa súčet KE a PEmechanická energia,a je konštantná v systémoch, v ktorých pôsobia iba konzervatívne sily (to znamená, keď sa „neplytvá“ žiadna energia vo forme trecích alebo tepelných strát).

​Spád(mv) amoment hybnosti​ (​Ľ= mvr) sú zachované aj vo fyzike a príslušné zákony silne určujú veľkú časť chovania častíc v klasickej analytickej mechanike.

Zahrievanie uhličitanu vápenatého alebo CaCO₃, produkuje zlúčeninu vápnika a zároveň uvoľňuje záhadný plyn. Povedzme, že máte 1 kg (1 000 g) CaCO₃a zistíte, že keď sa zohreje, zostane 560 gramov zlúčeniny vápnika.

Aké je pravdepodobné zloženie zostávajúcej chemickej látky vápnika a aká je zlúčenina, ktorá sa uvoľnila ako plyn?

Najskôr, pretože ide v podstate o problém chémie, musíte sa odvolať na periodickú tabuľku prvkov (príklad nájdete v Zdrojoch).

Hovorí sa, že máte počiatočných 1 000 g CaCO₃. Z molekulových hmotností jednotlivých atómov v tabuľke vidíte, že Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol a O = 16 g / mol, takže molekulová hmotnosť uhličitanu vápenatého ako celku je 100 g / mol (nezabudnite, že v molekule sú tri atómy kyslíka CaCO₃). Máte však 1 000 g CaCO₃, čo je 10 mólov látky.

V tomto príklade má produkt vápnika 10 mólov atómov Ca; pretože každý atóm Ca je 40 g / mol, máte celkovo 400 g Ca, o ktorých si môžete bezpečne myslieť, že zostali po CaCO₃ bol zahriaty. V tomto príklade zvyšných 160 g (560 - 400) zlúčeniny po zahriatí predstavuje 10 mólov atómov kyslíka. Toto musí zanechať 440 g hmoty ako uvoľnený plyn.

Vyvážená rovnica musí mať tvar

a znak „?“ plyn musí v istej kombinácii obsahovať uhlík a kyslík; musí mať 20 mólov atómov kyslíka - už máte 10 mólov atómov kyslíka vľavo od znamienka + - a teda 10 mólov atómov uhlíka. „?“ je CO_2. (V dnešnom vedeckom svete ste už počuli o oxidu uhličitom, čo z tohto problému robí niečo ako triviálne cvičenie. Ale myslite na dobu, keď ani vedci ani len netušili, čo sa nachádza vo „vzduchu“.)

Študenti fyziky by mohli byť slávnymi zmätenízachovanie rovnice masovej energie​ ​E = mc​² postuloval Albert Einstein začiatkom 20. rokov 20. storočia a zaujímalo ho, či sa to prieči zákonu zachovania hmotnosti (alebo energie), pretože sa zdá, že hmotnosť môže byť prevedená na energiu a naopak.

Nie je porušený ani jeden zákon; namiesto toho zákon potvrdzuje, že hmotnosť a energia sú v skutočnosti rôzne formy toho istého.

Je to niečo podobné ako ich meranie v rôznych jednotkách vzhľadom na situáciu.

Možno si nemôžete pomôcť, ale nevedomky stotožňujete hmotnosť s hmotnosťou z dôvodov popísaných vyššie - hmotnosť je hmotnosť iba vtedy, keď je gravitácia v zmesi, ale keď je podľa vašich skúseností gravitácianieprítomný (keď ste na Zemi a nie v komore s nulovou gravitáciou)?

Je teda ťažké predstaviť si hmotu len ako veci, ako je energia sama o sebe, ktorá sa riadi určitými základnými zákonmi a zásadami.

Rovnako ako energia môže meniť formy medzi kinetickými, potenciálnymi, elektrickými, tepelnými a inými typmi, hmota robí to isté, aj keď sa rôzne formy hmoty nazývajúuvádza: tuhá látka, plyn, kvapalina a plazma.

Ak dokážete filtrovať, ako vaše zmysly vnímajú rozdiely v týchto veličinách, možno by ste ocenili, že vo fyzike existuje len málo skutočných rozdielov.

Schopnosť spojiť hlavné pojmy v „tvrdých vedách“ sa na prvý pohľad môže zdať namáhavá, ale vždy je to nakoniec vzrušujúce a obohacujúce.