กฎการอนุรักษ์มวล: นิยาม สูตร ประวัติศาสตร์ (พร้อม/ ตัวอย่าง)

หลักการสำคัญอย่างหนึ่งในการกำหนดฟิสิกส์คือ คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดหลายประการไม่เปลี่ยนแปลงตามหลักการสำคัญ: ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดได้ง่ายอนุรักษ์หมายความว่าจำนวนรวมของปริมาณเหล่านี้ที่มีอยู่ในระบบที่คุณเลือกจะไม่เปลี่ยนแปลง

ปริมาณทั่วไปสี่ประการในฟิสิกส์มีลักษณะเฉพาะโดยมีกฎการอนุรักษ์ที่นำไปใช้กับพวกเขา เหล่านี้คือพลังงาน​, ​โมเมนตัม​, ​โมเมนตัมเชิงมุมและมวล. สามตัวแรกเป็นปริมาณที่มักเจาะจงสำหรับปัญหาทางกลศาสตร์ แต่มวลนั้นเป็นสากล และการค้นพบ - หรือ การสาธิตอย่างที่เป็นอยู่นั้น มวลนั้นได้รับการอนุรักษ์ไว้ ในขณะที่ยืนยันความสงสัยที่มีมาช้านานในโลกวิทยาศาสตร์ มีความสำคัญต่อ พิสูจน์.

ดิกฎการอนุรักษ์มวลระบุว่า ในระบบปิด(รวมทั้งจักรวาลทั้งหมด) ไม่สามารถสร้างหรือทำลายมวลได้โดยการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือทางกายภาพ กล่าวอีกนัยหนึ่งมวลรวมจะถูกอนุรักษ์ไว้เสมอ. คติประจำใจ "อะไรเข้าก็ต้องออกมา!" ดูเหมือนจะเป็นสัจธรรมทางวิทยาศาสตร์อย่างแท้จริง เนื่องจากไม่มีสิ่งใดปรากฏให้เห็นเพียงแค่หายไปโดยไม่มีร่องรอยทางกายภาพ

ส่วนประกอบทั้งหมดของโมเลกุลทั้งหมดในทุกเซลล์ผิวที่คุณเคยหลั่งออกมา ยังคงมีออกซิเจน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน กำมะถัน และอะตอมของคาร์บอน เช่นเดียวกับการแสดงนิยายวิทยาศาสตร์ลึกลับ

มันสามารถเรียกได้ว่าเป็น "กฎการอนุรักษ์สสาร" แทนเพราะไม่มีแรงโน้มถ่วง ไม่มีอะไรพิเศษในโลกโดยเฉพาะวัตถุที่ "มหึมา" เพิ่มเติมเกี่ยวกับความแตกต่างที่สำคัญนี้ต่อไป เนื่องจากความเกี่ยวข้องนั้นยากที่จะพูดเกินจริง

การค้นพบกฎการอนุรักษ์มวลเกิดขึ้นในปี 1789 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Antoine Lavoisier; คนอื่นคิดไอเดียนี้มาก่อน แต่ Lavoisier เป็นคนแรกที่พิสูจน์

ในขณะนั้น ความเชื่อส่วนใหญ่ในวิชาเคมีเกี่ยวกับทฤษฎีปรมาณูยังคงมาจากชาวกรีกโบราณ และต้องขอบคุณแนวคิดล่าสุดที่ทำให้เชื่อว่ามีบางอย่างอยู่ในไฟphlogiston") เป็นจริงสาร นักวิทยาศาสตร์ให้เหตุผลว่าเหตุใดกองขี้เถ้าจึงเบากว่าที่เผาเพื่อผลิตขี้เถ้า

Lavoisier อุ่นปรอทออกไซด์และสังเกตว่าปริมาณที่น้ำหนักของสารเคมีลดลงนั้นเท่ากับน้ำหนักของก๊าซออกซิเจนที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาเคมี

ก่อนที่นักเคมีจะอธิบายมวลของสิ่งที่ยากต่อการติดตาม เช่น ไอน้ำและก๊าซ พวกเขาไม่สามารถทดสอบหลักการอนุรักษ์เรื่องใด ๆ ได้อย่างเพียงพอแม้ว่าพวกเขาจะสงสัยว่ากฎหมายดังกล่าวมีอยู่จริงใน การดำเนินงาน

ไม่ว่าในกรณีใด สิ่งนี้ทำให้ Lavoisier ระบุว่าสสารต้องได้รับการอนุรักษ์ในปฏิกิริยาเคมี ซึ่งหมายความว่าปริมาณรวมของสสารในแต่ละด้านของสมการเคมีจะเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าจำนวนอะตอมทั้งหมด (แต่ไม่จำเป็นต้องเป็นจำนวนโมเลกุลทั้งหมด) ในสารตั้งต้นจะต้องเท่ากับปริมาณในผลิตภัณฑ์ โดยไม่คำนึงถึงลักษณะของการเปลี่ยนแปลงทางเคมี

• "​มวลของผลิตภัณฑ์ในสมการเคมีเท่ากับมวลของสารตั้งต้น" เป็นพื้นฐานของปริมาณสัมพันธ์หรือกระบวนการบัญชีโดยที่ปฏิกิริยาและสมการเคมีมีความสมดุลทางคณิตศาสตร์ทั้งในแง่ของมวลและจำนวนอะตอมในแต่ละด้าน

ปัญหาอย่างหนึ่งที่คนเราอาจมีกับกฎการอนุรักษ์มวลคือข้อจำกัดของประสาทสัมผัสของคุณทำให้บางแง่มุมของกฎหมายใช้สัญชาตญาณน้อยลง

ตัวอย่างเช่น เมื่อคุณกินอาหารหนึ่งปอนด์และดื่มน้ำหนึ่งปอนด์ คุณอาจมีน้ำหนักเท่าเดิมในอีกหกชั่วโมงต่อมา แม้ว่าคุณจะไม่ได้ไปห้องน้ำก็ตาม ส่วนหนึ่งเป็นเพราะสารประกอบคาร์บอนในอาหารจะถูกแปลงเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และค่อยๆ หายใจออกในไอ (มักจะมองไม่เห็น) ในลมหายใจของคุณ

ตามแนวคิดทางเคมี กฎการอนุรักษ์มวลเป็นส่วนสำคัญในการทำความเข้าใจวิทยาศาสตร์กายภาพ ซึ่งรวมถึงฟิสิกส์ ตัวอย่างเช่น ในปัญหาโมเมนตัมเกี่ยวกับการชน เราสามารถสันนิษฐานได้ว่ามวลรวมในระบบไม่เปลี่ยนแปลงจากอะไร มันเป็นก่อนการชนกับสิ่งที่แตกต่างออกไปหลังจากการชนกันเพราะมวล – เช่นโมเมนตัมและพลังงาน – is อนุรักษ์

ดิกฎการอนุรักษ์พลังงานระบุว่าพลังงานทั้งหมดของระบบที่แยกได้ไม่เปลี่ยนแปลง และสามารถแสดงออกได้หลายวิธี หนึ่งในนั้นคือ KE (พลังงานจลน์) + PE (พลังงานศักย์) + พลังงานภายใน (IE) = ค่าคงที่ กฎข้อนี้ปฏิบัติตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์และรับรองว่าพลังงานเช่นเดียวกับมวลไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้

• ผลรวมของ KE และ PE เรียกว่าพลังงานกลและคงที่ในระบบที่มีเพียงแรงอนุรักษ์เท่านั้นที่กระทำ (นั่นคือเมื่อพลังงานไม่ "สูญเปล่า" ในรูปของความเสียดทานหรือการสูญเสียความร้อน)

​โมเมนตัม(มวี) และโมเมนตัมเชิงมุม​ (​หลี่= มvr) ยังได้รับการอนุรักษ์ไว้ในทางฟิสิกส์ และกฎที่เกี่ยวข้องจะกำหนดพฤติกรรมส่วนใหญ่ของอนุภาคในกลศาสตร์การวิเคราะห์แบบคลาสสิกอย่างจริงจัง

การให้ความร้อนของแคลเซียมคาร์บอเนตหรือ CaCO₃ทำให้เกิดสารประกอบแคลเซียมในขณะที่ปล่อยก๊าซลึกลับออกมา สมมติว่าคุณมี CaCO. 1 กก. (1,000 กรัม)₃และคุณพบว่าเมื่อสิ่งนี้ถูกทำให้ร้อน สารประกอบแคลเซียม 560 กรัมจะยังคงอยู่

องค์ประกอบที่เป็นไปได้ของสารเคมีแคลเซียมที่เหลืออยู่คืออะไร และสารประกอบที่ปลดปล่อยออกมาเป็นก๊าซคืออะไร?

อย่างแรก เนื่องจากนี่เป็นปัญหาทางเคมีโดยพื้นฐานแล้ว คุณจะต้องอ้างอิงตารางธาตุ (ดูตัวอย่างในแหล่งข้อมูล)

คุณได้รับแจ้งว่าคุณมี CaCO. เริ่มต้น 1,000 กรัม₃. จากมวลโมเลกุลของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบในตาราง คุณจะเห็นว่า Ca = 40 g/mol, C = 12 g/mol และ O = 16 g/mol ทำให้มวลโมเลกุลของแคลเซียมคาร์บอเนตมีมวลรวม 100 g/mol (จำไว้ว่ามีออกซิเจนสามอะตอมใน CaCO₃). อย่างไรก็ตาม คุณมี CaCO. 1,000 กรัม₃ซึ่งเป็นสาร 10 โมล

ในตัวอย่างนี้ ผลิตภัณฑ์แคลเซียมมีอะตอม Ca 10 โมล; เนื่องจากอะตอมของ Ca แต่ละอะตอมมีค่าเท่ากับ 40 กรัม/โมล คุณมี Ca ทั้งหมด 400 กรัม ซึ่งคุณสามารถสันนิษฐานได้อย่างปลอดภัยว่าเหลือหลังจาก CaCO2₃ ถูกทำให้ร้อน สำหรับตัวอย่างนี้ สารประกอบหลังการให้ความร้อน 160 กรัม (560 – 400) ที่เหลือแสดงถึงอะตอมออกซิเจน 10 โมล สิ่งนี้จะต้องปล่อยให้มวล 440 กรัมเป็นก๊าซที่มีอิสรเสรี

สมการสมดุลต้องมีรูปแบบ

และ "?" แก๊สต้องมีคาร์บอนและออกซิเจนรวมกัน มันต้องมีอะตอมออกซิเจน 20 โมล - คุณมีอะตอมออกซิเจน 10 โมลทางด้านซ้ายของเครื่องหมาย + แล้ว - และดังนั้นอะตอมของคาร์บอน 10 โมล ตัว "?" คือ CO_2. (ในโลกวิทยาศาสตร์ปัจจุบัน คุณเคยได้ยินเรื่องคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งทำให้ปัญหานี้เป็นเรื่องเล็กน้อย แต่ลองนึกถึงช่วงเวลาที่แม้แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้ด้วยซ้ำว่ามีอะไรอยู่ใน "อากาศ")

นักศึกษาฟิสิกส์อาจจะงงกับคนดังการอนุรักษ์สมการมวลพลังงาน​ ​E = mc​² อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ตั้งสมมติฐานไว้ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 สงสัยว่ามันขัดต่อกฎการอนุรักษ์มวล (หรือพลังงาน) หรือไม่ เนื่องจากดูเหมือนว่ามวลจะถูกแปลงเป็นพลังงานและในทางกลับกัน

ไม่มีการละเมิดกฎหมาย แทน ที่กฎหมายยืนยันว่าจริง ๆ แล้วมวลและพลังงานเป็นรูปแบบที่แตกต่างกันของสิ่งเดียวกัน

มันเหมือนกับการวัดในหน่วยต่างๆ ตามสถานการณ์

คุณอาจช่วยไม่ได้แต่ให้เทียบมวลกับน้ำหนักโดยไม่รู้ตัวด้วยเหตุผลที่อธิบายไว้ข้างต้น มวลเป็นเพียงน้ำหนักเมื่อแรงโน้มถ่วงอยู่ในส่วนผสม แต่เมื่ออยู่ในประสบการณ์ของคุณคือแรงโน้มถ่วงไม่ปัจจุบัน (เมื่อคุณอยู่บนโลกและไม่ได้อยู่ในห้องที่มีแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์)?

ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจว่าสสารเป็นเพียงสิ่งของ เช่น พลังงานโดยตัวของมันเอง ซึ่งเป็นไปตามกฎหมายและหลักการพื้นฐานบางประการ

เช่นเดียวกัน พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปแบบระหว่างจลนศาสตร์ ศักย์ไฟฟ้า ความร้อน และชนิดอื่นๆ ได้ สสารก็ทำสิ่งเดียวกัน แม้ว่ารูปแบบต่างๆ จะเรียกว่าสสารรัฐ: ของแข็ง แก๊ส ของเหลว และพลาสมา

หากคุณสามารถกรองความรู้สึกของตัวเองในการรับรู้ถึงความแตกต่างในปริมาณเหล่านี้ได้ คุณอาจเห็นคุณค่าว่ามีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในฟิสิกส์

ความสามารถในการเชื่อมโยงแนวคิดหลักเข้าด้วยกันใน "วิทยาศาสตร์แบบแข็ง" อาจดูเหมือนยากลำบากในตอนแรก แต่ก็น่าตื่นเต้นและคุ้มค่าในท้ายที่สุด