Зміст
- Закон збереження маси
- Історія закону про масове збереження
- Огляд збереження маси
- Що ще «зберігається» у фізичній науці?
- Закон збереження маси: Приклад
- Ейнштейн та рівняння маси енергії
- Маса, енергія та вага в реальному світі
Одним з найбільш визначальних принципів фізики є те, що багато її найважливіших властивостей непохитно підкоряються важливому принципу: У легко визначених умовах вони збережена, тобто 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. Це такі енергія, імпульс, момент імпульсу і маси. Перші три з них - це величини, часто характерні для проблем механіки, але маса є універсальною, і відкриття - або демонстрація, як би це було - збереження маси, підтверджуючи деякі давні підозри у світі науки, було життєво важливим для доведення .
Закон збереження маси
The закон збереження маси стверджує, що в а закрита система (включаючи весь Всесвіт), масу не можна ні створити, ні знищити хімічними чи фізичними змінами. Іншими словами, загальна маса завжди зберігається. Нахабна сентенція "Що входить, повинно вийти!" виявляється буквальним науковим трюїзмом, оскільки ніколи нічого не було показано, що він просто зник без фізичних слідів.
Усі компоненти всіх молекул кожної клітини шкіри, яку ви коли-небудь проливали, з їх атомами кисню, водню, азоту, сірки та вуглецю все ще існують. Так само, як показує таємниця наукової фантастики Файли Х заявляє про правду, вся маса, яка коли-небудь була, "знаходиться там десь.'
Натомість це можна назвати «законом збереження матерії», оскільки, за відсутності сили тяжіння, у світі немає нічого особливого щодо особливо «масивних» об’єктів; далі про це важливе розмежування випливає, оскільки його актуальність важко переоцінити.
Історія закону про масове збереження
Відкриття закону збереження маси зробив у 1789 р. Французький вчений Антуан Лавуазьє; інші придумали цю ідею раніше, але Лавуазьє першим довів її.
У той час велика частина переважаючої в хімії теорії атомів ще походила від древніх греків, і завдяки останнім уявленням вважалося, що всередині вогню ("флогістон") насправді була речовиною. Це, вчені аргументували, пояснювали, чому купу попелу легше, ніж те, що спалювали для отримання попелу.
Лавуазьє нагрівався оксид ртуті та зазначив, що кількість зменшеної маси хімічних речовин дорівнює вазі кисневого газу, що виділяється при хімічній реакції.
Перш ніж хіміки змогли пояснити масу речей, які важко було відслідковувати, таких як водяна пара та слідові гази, вони не змогли адекватно перевірити будь-які принципи збереження, навіть якщо вони підозрювали, що такі закони справді діють.
У будь-якому випадку це призвело до того, що Лавуазьє заявив, що матерія повинна зберігатися в хімічних реакціях, тобто загальна кількість речовини з кожної сторони хімічного рівняння однакова. Це означає, що загальна кількість атомів (але не обов'язково загальна кількість молекул) в реагентах повинна дорівнювати кількості в продуктах, незалежно від природи хімічної зміни.
Огляд збереження маси
Одна з труднощів, яку люди можуть мати із законом збереження маси, полягає в тому, що межі ваших почуттів роблять деякі аспекти закону менш інтуїтивними.
Наприклад, коли ви їсте півлітра їжі і п'єте півкіло рідини, ви можете зважити ті самі шість годин і пізніше, навіть якщо не ходите у туалет. Це частково тому, що сполуки вуглецю в їжі перетворюються на вуглекислий газ (СО)2) і видихнувшись поступово в (зазвичай невидимій) парі на вдиху.
За своєю суттю, як поняття хімії, закон збереження маси є невід'ємним елементом розуміння фізичної науки, включаючи фізику. Наприклад, у проблемі імпульсу щодо зіткнення ми можемо припустити, що загальна маса в системі не змінилася від тієї, що була до зіткнення, до чогось іншого після зіткнення, оскільки маса - як імпульс та енергія - зберігається.
Що ще «зберігається» у фізичній науці?
The закон збереження енергії стверджує, що загальна енергія ізольованої системи ніколи не змінюється, і це може виражатися кількома способами. Одне з них - KE (кінетична енергія) + PE (потенційна енергія) + внутрішня енергія (IE) = константа. Цей закон випливає з першого закону термодинаміки і запевняє, що енергію, як і масу, неможливо створити або знищити.
Момент (мv) і момент імпульсу (L = мвр) також зберігаються у фізиці, і відповідні закони сильно визначають велику частину поведінки частинок у класичній аналітичній механіці.
Закон збереження маси: Приклад
Нагрівання карбонату кальцію, або CaCO3, виробляє сполуку кальцію, звільняючи таємничий газ. Скажімо, у вас є 1 кг (1000 г) CaCO3, і ви виявите, що при нагріванні залишається 560 грам кальцієвої сполуки.
Який імовірний склад хімічної речовини, що залишилася, і яка сполука, яка вивільнилася як газ?
По-перше, оскільки це, по суті, проблема хімії, вам потрібно звернутися до періодичної таблиці елементів (див. Приклад "Ресурси").
Вам кажуть, що у вас є 1000 початкових г CaCO3. З молекулярних мас складових атомів таблиці ви бачите, що Са = 40 г / моль, С = 12 г / моль і О = 16 г / моль, що робить молекулярну масу карбонату кальцію в цілому 100 г / моль (пам’ятайте, що у CaCO є три атоми кисню3). Однак у вас є 1000 г CaCO3, що становить 10 молей речовини.
У цьому прикладі продукт кальцію має 10 молей атомів Са; оскільки кожен атом Са становить 40 г / моль, у вас 400 г Ca, що ви можете сміливо вважати, що він залишився після CaCO3 нагрівали. У цьому прикладі решта 160 г (560 - 400) післянагрівальної сполуки являє собою 10 молей атомів кисню. Це повинно залишити 440 г маси у вигляді звільненого газу.
Збалансоване рівняння повинно мати вигляд
10 CaCO3 → 10 СаО +?
і "?" газ повинен містити вуглець і кисень у деякій комбінації; у нього повинно бути 20 молей атомів кисню - у вас вже є 10 молей атомів кисню зліва від знаку + - і тому 10 молей атомів вуглецю. "?" є СО2. (У сучасному світі науки ви чули про діоксид вуглецю, що робить цю проблему чимось тривіальною вправою. Але подумайте про час, коли навіть вчені навіть не знали, що було у "повітрі".)
Ейнштейн та рівняння маси енергії
Студенти фізики можуть збентежити відомих збереження рівняння маси та енергії E = mc2 Постулював Альберт Ейнштейн на початку 1900-х років, цікавившись, чи не протидіє він закону збереження маси (або енергії), оскільки, мабуть, мається на увазі, що маса може бути перетворена в енергію і навпаки.
Жоден закон не порушується; натомість закон підтверджує, що маса та енергія - це фактично різні форми однієї речі.
Це як би вимірювати їх у різних одиницях, враховуючи ситуацію.
Маса, енергія та вага в реальному світі
Ви, можливо, не можете допомогти, але несвідомо зрівняйте масу з вагою з описаних вище причин - маса є лише вагою, коли гравітація знаходиться в суміші, але коли у вашому досвіді гравітація ні присутній (коли ти на Землі, а не в камері з нульовою гравітацією)?
Тоді важко сприймати матерію як просто речі, як власну енергію, яка підкоряється певним фундаментальним законам та принципам.
Крім того, як енергія може змінювати форми між кінетичними, потенційними, електричними, тепловими та іншими типами, матерія робить те саме, хоча різні форми матерії називаються держав: тверда речовина, газ, рідина і плазма.
Якщо ви зможете відфільтрувати, як ваші власні відчуття сприймають відмінності в цих кількостях, ви, можливо, зможете зрозуміти, що в фізиці є мало фактичних відмінностей.
Здатність поєднати основні поняття разом у "важких науках" може здатися спочатку важким, але в кінці кінців це завжди захоплююче і корисно.