Закон збереження маси: визначення, формула, історія (з прикладами)

Одним з великих визначальних принципів фізики є те, що багато її найважливіших властивостей непохитно підкоряються важливому принципу: За легко визначених умов вонизбережений, що означає, що загальна кількість цих кількостей, що містяться в обраній вами системі, ніколи не змінюється.

Чотири загальні величини у фізиці характеризуються тим, що до них застосовуються закони збереження. Ось такіенергія​, ​імпульс​, ​момент імпульсуімаси. Перші три з них є величинами, часто характерними для задач механіки, але маса є універсальною, а відкриття - або демонстрація як би - що маса зберігається, підтверджуючи деякі давні підозри у науковому світі, була життєво важливою для довести.

закон збереження масистверджує, що в aзакрита система(включаючи весь Всесвіт), маса не може бути створена, ні знищена в результаті хімічних чи фізичних змін. Іншими словами,загальна маса завжди зберігається. Нахабна сентенція "Що входить, повинно вийти!" видається буквальним науковим труїзмом, оскільки ніколи ніколи не було показано, що просто зникає без фізичних слідів.

Усі компоненти всіх молекул кожної клітини шкіри, яку ви коли-небудь пролили, з їх атомами кисню, водню, азоту, сірки та вуглецю все ще існують. Так само, як показує таємнича наукова фантастикаДосьє Xзаявляє про правду, вся маса, яка коли-небудь була "тамдесь​."

Натомість його можна було б назвати "законом збереження речовини", оскільки за відсутності гравітації у світі немає нічого особливого щодо особливо "масивних" об'єктів; далі про це важливе розрізнення випливає, оскільки його актуальність важко перебільшити.

Відкриття закону збереження маси було здійснено у 1789 р. Французьким вченим Антуаном Лавуазьє; інші придумували цю ідею раніше, але Лавуазьє першим довів це.

У той час більша частина переважаючої в хімії віри в атомну теорію все ще походила від древніх греків, і завдяки новітнім ідеям вважалося, що щось у вогні ("флогістон") насправді була речовиною. Це, розсуджували вчені, пояснювало, чому купа попелу легша за все, що було спалено для утворення попелу.

Лавуазьє з підігрівомоксид ртутіі зазначив, що кількість зменшеної ваги хімічної речовини дорівнює вазі газоподібного кисню, що виділяється в результаті хімічної реакції.

Перш ніж хіміки змогли врахувати маси речей, які було важко відстежити, такі як водяна пара та сліди газів, вони не могли адекватно перевірити будь-які принципи збереження речовини, навіть якщо підозрювали, що такі закони справді є операції.

У будь-якому випадку, це змусило Лавуазьє стверджувати, що речовина повинна зберігатися в хімічних реакціях, тобто загальна кількість речовини на кожній стороні хімічного рівняння однакове. Це означає, що загальна кількість атомів (але не обов’язково загальна кількість молекул) у реагентах повинна дорівнювати кількості продуктів, незалежно від природи хімічної зміни.

• "​Маса продуктів у хімічних рівняннях дорівнює масі реагентів"є основою стехіометрії, або процесу обліку, за допомогою якого хімічні реакції та рівняння математично збалансовані як за масою, так і за кількістю атомів на кожній стороні.

Одна з труднощів, яку можуть мати люди із законом збереження маси, полягає в тому, що межі ваших почуттів роблять деякі аспекти закону менш інтуїтивними.

Наприклад, коли ви з’їдаєте півкіло їжі та випиваєте півкілограма рідини, ви можете важити стільки ж шість або більше годин пізніше, навіть якщо ви не підете у ванну. Це частково тому, що сполуки вуглецю в їжі перетворюються на вуглекислий газ (CO₂) і видихайте поступово (зазвичай невидимими) парами у вашому диханні.

По суті, як концепція хімії, закон збереження маси є невід'ємною частиною розуміння фізичної науки, включаючи фізику. Наприклад, в задачі про імпульс щодо зіткнення ми можемо припустити, що загальна маса в системі не змінилася від того, що це було до зіткнення з чимось іншим після зіткнення, тому що маса - як імпульс та енергія - це збережений.

закон збереження енергіїстверджує, що загальна енергія ізольованої системи ніколи не змінюється, і це може бути виражено різними способами. Одним із них є KE (кінетична енергія) + PE (потенційна енергія) + внутрішня енергія (IE) = константа. Цей закон випливає з першого закону термодинаміки і запевняє, що енергія, як і маса, не може бути створена або знищена.

• Викликається сума KE та PEмеханічна енергія,і є постійним у системах, в яких діють лише консервативні сили (тобто коли енергія не «витрачається» у вигляді тертя або втрат тепла).

​Імпульс(мv) імомент імпульсу​ (​L= мвр) також зберігаються у фізиці, і відповідні закони сильно визначають велику частину поведінки частинок у класичній аналітичній механіці.

Нагрівання карбонату кальцію або CaCO₃, утворює сполуку кальцію, виділяючи загадковий газ. Скажімо, у вас є 1 кг (1000 г) CaCO₃, і ви виявляєте, що при нагріванні залишається 560 грамів сполуки кальцію.

Який вірогідний склад залишкової хімічної речовини кальцію та яка сполука виділилася у вигляді газу?

По-перше, оскільки це, по суті, хімічна проблема, вам потрібно буде звернутися до періодичної таблиці елементів (див. Приклад для ресурсів).

Вам кажуть, що у вас є початкові 1000 г CaCO₃. З молекулярних мас складових атомів у таблиці ви бачите, що Са = 40 г / моль, С = 12 г / моль та О = 16 г / моль, що становить молекулярну масу карбонату кальцію в цілому 100 г / моль (пам’ятайте, що в CaCO₃). Однак у вас є 1000 г CaCO₃, що становить 10 молей речовини.

У цьому прикладі продукт кальцію містить 10 моль атомів Са; оскільки кожен атом Са дорівнює 40 г / моль, у вас є 400 г загального вмісту Са, який ви можете сміливо припустити, що залишився після СаСО₃ нагрівався. У цьому прикладі решта 160 г (560 - 400) сполуки, що нагрівається, являє собою 10 молів атомів кисню. Це повинно залишити 440 г маси як виділений газ.

Збалансоване рівняння повинно мати вигляд

і "?" газ повинен містити вуглець і кисень у певній комбінації; він повинен мати 20 молів атомів кисню - ви вже маєте 10 молів атомів кисню зліва від знака + - і, отже, 10 молів атомів вуглецю. Значок "?" є CO_2. (У сучасному науковому світі ви чули про вуглекислий газ, що робить цю проблему тривіальною вправою. Але подумайте про час, коли навіть вчені навіть не знали, що в повітрі.)

Студенти фізики можуть бути збентежені відомимизбереження рівняння маси-енергії​ ​E = mc​² постулював Альберт Ейнштейн на початку 1900-х років, задаючись питанням, чи не суперечить він закону збереження маси (або енергії), оскільки, схоже, мається на увазі, що маса може перетворюватися в енергію і навпаки.

Жоден із законів не порушується; натомість закон стверджує, що маса та енергія насправді є різними формами одного і того ж.

Це як би вимірювати їх у різних одиницях, враховуючи ситуацію.

Можливо, ви не можете не свідомо прирівнювати масу до ваги з причин, описаних вище - маса - це лише вага, коли гравітація знаходиться в суміші, але коли у вашому досвіді є гравітаціяніприсутній (коли ви знаходитесь на Землі, а не в камері нульової гравітації)?

Тоді важко уявити матерію як просто речовину, як енергію, яка відповідає певним основним законам та принципам.

Також, як енергія може змінювати форми між кінетичними, потенційними, електричними, тепловими та іншими типами, речовина робить те саме, хоча різні форми речовини називаютьсяштатів: тверда речовина, газ, рідина та плазма.

Якщо ви зможете відфільтрувати, як ваші почуття сприймають відмінності в цих величинах, ви можете зрозуміти, що фактичних відмінностей у фізиці мало.

Можливість спочатку пов’язати основні поняття в "твердих науках" може здатися важкою спочатку, але зрештою це завжди захоплююче та корисно.