Zakon o ohranjanju mase: definicija, formula, zgodovina (z primeri)

Eno glavnih odločilnih načel fizike je, da številne njene najpomembnejše lastnosti neomajno upoštevajo pomembno načelo: pod lahko določenimi pogoji soohranjeno, kar pomeni, da se skupna količina teh količin v sistemu, ki ste ga izbrali, nikoli ne spremeni.

Za štiri običajne veličine v fiziki so značilni zakoni o ohranjanju, ki veljajo zanje. To soenergija​, ​zagon​, ​kotni momentinmaso. Prve tri med njimi so velikosti, ki so pogosto značilne za probleme mehanike, vendar je masa univerzalna in odkritje - oz tako rekoč demonstracija - da je masa ohranjena, hkrati pa je potrdila nekatere dolgotrajne sume v svetu znanosti, dokazati.

Thezakon o ohranjanju masenavaja, da v azaprt sistem(vključno s celotnim vesoljem) mase ni mogoče ustvariti niti uničiti s kemičnimi ali fizičnimi spremembami. Z drugimi besedami,skupna masa je vedno ohranjena. Predrzna izreka "Kar vstopi, mora iziti!" zdi se dobesedni znanstveni truizem, saj še nikoli ni bilo dokazano, da bi karkoli preprosto izginilo brez fizične sledi.

Vse komponente vseh molekul v vsaki kožni celici, ki ste jih kdaj koli prelili, z njihovimi atomi kisika, vodika, dušika, žvepla in ogljika še vedno obstajajo. Tako kot kaže skrivnostna znanstvena fantastikaDosjeji Xizjavlja o resnici, vsa maša, ki je kdajkoli bila "je zunajnekje​."

Namesto tega bi ga lahko poimenovali "zakon o ohranjanju snovi", ker v odsotnosti gravitacije na svetu ni nič posebnega glede posebej "masivnih" predmetov; o tem pomembnem razlikovanju sledi več, saj je njegovo pomembnost težko preceniti.

Odkritje zakona o ohranjanju mase je leta 1789 naredil francoski znanstvenik Antoine Lavoisier; drugi so že prišli na to idejo, toda Lavoisier je bil prvi, ki je to dokazal.

V tistem času so v kemiji večinoma prevladovali atomski teoriji še vedno stari Grki in zahvaljujoč novejšim idejam je veljalo, da nekaj v ognju ("flogiston") je bila dejansko snov. To so znanstveniki obrazložili in pojasnili, zakaj je kup pepela lažji od vsega, kar je bilo zgorelo za proizvodnjo pepela.

Lavoisier ogrevanživosrebrni oksidin ugotovil, da je količina zmanjšane teže kemikalije enaka masi kisika, ki se sprosti v kemijski reakciji.

Preden so kemiki lahko upoštevali množice stvari, ki jim je bilo težko slediti, kot so vodna para in sledovi plinov, niso mogli ustrezno preizkusiti nobenih načel ohranjanja snovi, tudi če so sumili, da takšni zakoni resnično obstajajo delovanje.

Vsekakor je to Lavoisierja pripeljalo do izjave, da je treba snov ohraniti v kemijskih reakcijah, kar pomeni, da je celotna količina snovi na vsaki strani kemijske enačbe enaka. To pomeni, da mora biti skupno število atomov (vendar ne nujno skupno število molekul) v reaktantih enako količini v proizvodih, ne glede na naravo kemijske spremembe.

• "​Masa produktov v kemijskih enačbah je enaka masi reaktantov"je osnova stehiometrije ali računovodskega procesa, pri katerem so kemijske reakcije in enačbe matematično uravnotežene tako glede mase kot števila atomov na vsaki strani.

Ena težava, ki jo lahko imajo ljudje z zakonom o ohranjanju mase, je ta, da nekatere omejitve vaših občutkov naredijo manj intuitivne.

Če na primer pojeste kilogram hrane in popijete kilogram tekočine, boste morda tehtali približno šest ur kasneje, tudi če ne greste na stranišče. To je deloma zato, ker se ogljikove spojine v hrani pretvorijo v ogljikov dioksid (CO₂) in izdihnite postopoma v (običajno nevidni) pari v sapi.

V bistvu je zakon o ohranjanju mase kot koncept kemije sestavni del razumevanja fizikalne znanosti, vključno s fiziko. Na primer, pri problemu z zagonom glede trka lahko domnevamo, da se skupna masa v sistemu ni spremenila od tistega bilo je pred trkom v nekaj drugega po trku, ker je masa - na primer zagon in energija - ohranjeno.

Thezakon o ohranjanju energijenavaja, da se celotna energija izoliranega sistema nikoli ne spremeni in jo je mogoče izraziti na več načinov. Ena izmed njih je KE (kinetična energija) + PE (potencialna energija) + notranja energija (IE) = konstanta. Ta zakon izhaja iz prvega zakona termodinamike in zagotavlja, da energije, tako kot mase, ni mogoče ustvariti ali uničiti.

• Kliče se vsota KE in PEmehanska energija,in je konstanten v sistemih, v katerih delujejo le konzervativne sile (to je, kadar se ne izgublja energije v obliki trenja ali toplotnih izgub).

​Zagon(mv) inkotni moment​ (​L= mvr) so ohranjeni tudi v fiziki, ustrezni zakoni pa močno določajo večino vedenja delcev v klasični analitični mehaniki.

Ogrevanje kalcijevega karbonata ali CaCO₃, med sproščanjem skrivnostnega plina proizvaja kalcijevo spojino. Recimo, da imate 1 kg (1.000 g) CaCO₃, in odkrijete, da ko se ta segreje, ostane 560 gramov kalcijeve spojine.

Kakšna je verjetna sestava preostale kemične snovi kalcija in katera spojina se je sprostila kot plin?

Prvič, ker gre v bistvu za kemijski problem, se boste morali sklicevati na periodni sistem elementov (za primer glejte Vire).

Povedali so vam, da imate začetnih 1.000 g CaCO₃. Iz molekulskih mas sestavnih atomov v tabeli vidite, da je Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol in O = 16 g / mol, pri čemer je molekulska masa kalcijevega karbonata v celoti 100 g / mol (ne pozabite, da so v CaCO₃). Vendar pa imate 1.000 g CaCO₃, kar je 10 molov snovi.

V tem primeru ima kalcijev izdelek 10 molov atomov Ca; ker je vsak atom Ca 40 g / mol, imate skupno 400 g Ca, za katerega lahko varno domnevate, da je ostal po CaCO₃ je bila ogrevana. V tem primeru preostalih 160 g (560 - 400) spojine za naknadno segrevanje predstavlja 10 molov atomov kisika. To mora pustiti 440 g mase kot sproščen plin.

Uravnotežena enačba mora imeti obliko

in "?" plin mora v določeni kombinaciji vsebovati ogljik in kisik; mora imeti 20 molov atomov kisika - na levi strani znaka + že imate 10 molov atomov kisika - in torej 10 molov atomov ogljika. "?" je CO_2. (V današnjem svetu znanosti ste že slišali za ogljikov dioksid, zaradi česar je ta problem trivialna vaja. Toda pomislite na čas, ko niti znanstveniki sploh niso vedeli, kaj je v "zraku.")

Študentje fizike bi znani morda zmedliohranitev enačbe mase in energije​ ​E = mc​² ki ga je v zgodnjih devetdesetih letih 20. stoletja predlagal Albert Einstein in se spraševal, ali nasprotuje zakonu ohranjanja mase (ali energije), saj kaže, da maso lahko pretvorimo v energijo in obratno.

Noben zakon ni kršen; namesto tega zakon potrjuje, da sta masa in energija dejansko različni obliki iste stvari.

To je nekako tako, kot bi jih merili v različnih enotah glede na situacijo.

Morda si ne morete pomagati, ampak nezavedno ne izenačite mase s težo iz zgoraj opisanih razlogov - masa je teža le, kadar je v mešanici gravitacija, ko pa je v vaših izkušnjah gravitacijaneprisoten (ko ste na Zemlji in niste v komori z nično gravitacijo)?

Težko je torej materijo predstavljati kot samo stvari, kot je sama po sebi energija, ki spoštuje nekatere temeljne zakone in načela.

Tako kot lahko energija spreminja oblike med kinetičnimi, potencialnimi, električnimi, toplotnimi in drugimi vrstami, snov naredi isto, čeprav se različne oblike snovi imenujejodržave: trdna snov, plin, tekočina in plazma.

Če lahko filtrirate, kako lastni čuti zaznavajo razlike v teh količinah, boste morda lahko razumeli, da je v fiziki malo dejanskih razlik.

Znanje povezovanja glavnih konceptov v "trdih znanostih" se sprva zdi težko, vendar je na koncu vedno vznemirljivo in koristno.