Lag om bevarande av massa: definition, formel, historia (med exempel)

En av de stora definierande principerna för fysik är att många av dess viktigaste egenskaper otvivelaktigt följer en viktig princip: Under lätt specificerade förhållanden är dekonserverad, vilket innebär att den totala mängden av dessa kvantiteter som ingår i det system du valt aldrig ändras.

Fyra vanliga kvantiteter i fysik kännetecknas av att det finns bevarande lagar som gäller för dem. Dessa ärenergi​, ​Momentum​, ​vinkelmomentochmassa. De första tre av dessa är kvantiteter som ofta är specifika för mekanikproblem, men massa är universell, och upptäckten - eller demonstration, som det var - att massan bevarades, samtidigt som man bekräftade vissa långvariga misstankar i vetenskapsvärlden, var avgörande för bevisa.

Delag om bevarande av massasäger att i enstängt system(inklusive hela universum) kan massa varken skapas eller förstöras av kemiska eller fysiska förändringar. Med andra ord,den totala massan bevaras alltid. Den fräcka maximen "Vad som går in, måste komma ut!" verkar vara en bokstavlig vetenskaplig truism, eftersom ingenting någonsin har visat sig helt enkelt försvinna utan fysiskt spår.

Alla komponenter i alla molekyler i varje hudcell som du någonsin har utgjutit med sina syre-, väte-, kväve-, svavel- och kolatomer finns fortfarande kvar. Precis som mysterium science fiction visarX-Filesförklarar om sanningen, all massa som någonsin var "finns där utenågonstans​."

Det kan istället kallas "lagen om bevarande av materia" eftersom det inte finns något speciellt i världen med speciellt "massiva" föremål utan gravitation. mer om denna viktiga skillnad följer, eftersom dess relevans är svår att överdriva.

Upptäckten av lagen om bevarande av massa gjordes 1789 av den franska forskaren Antoine Lavoisier; andra hade kommit med idén tidigare, men Lavoisier var först med att bevisa det.

På den tiden kom fortfarande mycket av den rådande tron ​​på kemi om atomteori från de antika grekerna, och tack vare nyare idéer trodde man att något inom eld ("flogiston") var faktiskt ett ämne. Detta, resonerade forskare, förklarade varför en hög med aska är lättare än vad som brändes för att producera askan.

Lavoisier uppvärmdkvicksilveroxidoch noterade att mängden kemikaliens vikt minskade var lika med vikten av syrgas som frigjordes vid den kemiska reaktionen.

Innan kemister kunde redogöra för massorna av saker som var svåra att spåra, såsom vattenånga och spårgaser, de kunde inte på lämpligt sätt testa några principer för bevarande av ämnen, även om de misstänkte att sådana lagar verkligen fanns i drift.

I vilket fall som helst ledde detta Lavoisier till att materien måste bevaras i kemiska reaktioner, vilket innebär att den totala mängden materia på varje sida av en kemisk ekvation är densamma. Detta betyder att det totala antalet atomer (men inte nödvändigtvis det totala antalet molekyler) i reaktanterna måste vara lika med mängden i produkterna, oavsett vilken kemisk förändrings natur.

• "​Produktens massa i kemiska ekvationer är lika med massan av reaktanterna"är grunden för stökiometri, eller redovisningsprocessen genom vilken kemiska reaktioner och ekvationer matematiskt balanseras i termer av både massa och antal atomer på varje sida.

Ett problem som människor kan ha med lagen om bevarande av massa är att gränserna för dina sinnen gör vissa aspekter av lagen mindre intuitiva.

Till exempel, när du äter ett pund mat och dricker ett pund vätska, kan du väga samma sex eller så timmar senare även om du inte går på toaletten. Detta beror delvis på att kolföreningar i livsmedel omvandlas till koldioxid (CO₂) och andas ut gradvis i den (vanligtvis osynliga) ångan i andan.

Kärnan, som ett kemikoncept, är lagen om bevarande av massa en integrerad del av förståelsen för fysik, inklusive fysik. Till exempel, i ett momentumproblem om kollision, kan vi anta att den totala massan i systemet inte har förändrats från vad det var före kollisionen till något annat efter kollisionen eftersom massa - som momentum och energi - är konserverad.

Delag om energibesparingsäger att den totala energin i ett isolerat system aldrig förändras, och det kan uttryckas på ett antal sätt. En av dessa är KE (kinetisk energi) + PE (potentiell energi) + intern energi (IE) = en konstant. Denna lag följer av termodynamikens första lag och försäkrar att energi, liksom massa, inte kan skapas eller förstöras.

• Summan av KE och PE kallasmekanisk energi,och är konstant i system där endast konservativa krafter verkar (det vill säga när ingen energi "slösas bort" i form av friktions- eller värmeförluster.

​Momentum(mv) ochvinkelmoment​ (​L= mvr) bevaras också i fysiken, och de relevanta lagarna bestämmer starkt mycket av partiklarnas beteende i klassisk analytisk mekanik.

Uppvärmning av kalciumkarbonat eller CaCO₃, producerar en kalciumförening medan den frigör en mystisk gas. Låt oss säga att du har 1 kg (1 000 g) CaCO₃, och du upptäcker att när det värms upp återstår 560 gram kalciumförening.

Vad är den troliga sammansättningen av det återstående kalciumkemiska ämnet, och vad är den förening som frigjordes som gas?

Först, eftersom detta i huvudsak är ett kemiproblem, måste du referera till en periodisk tabell med element (se Resurser för ett exempel).

Du får veta att du har de första 1000 g CaCO₃. Från molekylmassorna för de ingående atomerna i tabellen ser du att Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol och O = 16 g / mol, vilket gör den molekylära massan av kalciumkarbonat som helhet 100 g / mol (kom ihåg att det finns tre syreatomer i CaCO₃). Du har dock 1 000 g CaCO₃, vilket är 10 mol av ämnet.

I detta exempel har kalciumprodukten 10 mol Ca-atomer; eftersom varje Ca-atom är 40 g / mol, har du totalt 400 g Ca som du säkert kan anta var kvar efter CaCO₃ värmdes upp. För detta exempel representerar de återstående 160 g (560 - 400) eftervärmningsföreningen 10 mol syreatomer. Detta måste lämna 440 g massa som en frigjord gas.

Den balanserade ekvationen måste ha formen

och den "?" gas måste innehålla kol och syre i någon kombination; den måste ha 20 mol syreatomer - du har redan 10 mol syreatomer till vänster om + -tecknet - och därför 10 mol kolatomer. "?" är CO_2. (I dagens vetenskapsvärld har du hört talas om koldioxid, vilket gör detta problem till en trivial övning. Men tänk på en tid då även forskare inte ens visste vad som fanns i "luft".)

Fysikstudenter kan vara förvirrade av de berömdabevarande av massa-energi-ekvationen​ ​E = mc​² postulerad av Albert Einstein i början av 1900-talet och undrade om det trotsar lagen om bevarande av massa (eller energi), eftersom det verkar innebära att massa kan omvandlas till energi och vice versa.

Ingen av lagen bryts; istället bekräftar lagen att massa och energi faktiskt är olika former av samma sak.

Det är som att mäta dem i olika enheter med tanke på situationen.

Du kanske inte kan låta bli att omedvetet jämföra massa med vikt av de skäl som beskrivs ovan - massa är bara vikt när tyngdkraften är i mixen, men när du upplever att det är gravitationintenärvarande (när du är på jorden och inte i en kammare med tyngdkraft)?

Det är alltså svårt att uppfatta materien som bara saker, som energi i sig, som följer vissa grundläggande lagar och principer.

Precis som energi kan ändra former mellan kinetiska, potentiella, elektriska, termiska och andra typer, gör materia samma sak, även om de olika formerna av materia kallasstater: fast, gas, vätska och plasma.

Om du kan filtrera hur dina egna sinnen uppfattar skillnaderna i dessa mängder kan du kanske inse att det finns få faktiska skillnader i fysiken.

Att kunna knyta samman stora koncept i "hårda vetenskaper" kan tyckas svårt i början, men det är alltid spännande och givande till slut.