Садржај
- Закон очувања масе
- Историја закона о масовном очувању
- Преглед очувања масе
- Шта је остало „сачувано“ у физичкој науци?
- Закон очувања масе: Пример
- Ајнштајн и једнаџба масе-енергије
- Маса, енергија и тежина у стварном свету
Један од главних дефиницијских принципа физике је да многа његова најзначајнија својства непоколебљиво поштују важан принцип: Под лако одређеним условима, они су очувано, што значи да се укупна количина ових количина садржаних у систему који сте изабрали никада не мења.
Четири уобичајене величине у физици су карактеристичне по томе што имају законе очувања који се на њих односе. Су енергије, замах, момент импулса и маса. Прве три од њих су количине често специфичне за проблеме механике, али маса је универзална, а откриће - или демонстрација, као што је то било - очување масе, истовремено потврђивање неких дуготрајних сумњи у научном свету, било је од пресудног значаја за доказ .
Закон очувања масе
Тхе закон очувања масе наводи да у а затворени систем (укључујући цео свемир), маса се не може створити нити уништити хемијским или физичким променама. Другим речима, укупна маса се увек чува. Безобразна максима "Шта улази, мора изаћи!" Чини се да је дословни научни труизам, јер никада није доказано да ништа једноставно нестаје без икаквог физичког трага.
Све компоненте свих молекула у свакој ћелији коже коју икада испустите, са њиховим атомима кисеоника, водоника, азота, сумпора и угљеника и даље постоје. Баш као што показује и мистериозна научна фантастика Досије Кс изјављује о истини, сва маса која је икада била "је вани негде.'
Могло би се, уместо тога, назвати „законом очувања материје“, јер, у одсуству гравитације, нема ништа посебно у свету о посебно „масивним“ објектима; даље о овом важном разликовању, будући да је његову релевантност тешко претјерати.
Историја закона о масовном очувању
Откривање закона очувања масе извршио је 1789. године француски научник Антоине Лавоисиер; други су ту идеју смислили раније, али Лавоисиер је први то доказао.
У то време је велики део преовлађујућег веровања у хемији о атомској теорији још увек потицао од старих Грка, и захваљујући новијим идејама, мислило се да нешто постоји у ватри ("пхлогистон") заправо је била супстанца. Ово су научници образложили и објаснили зашто је гомила пепела лакша од оне која је сагорела да би се створио пепео.
Лавоисиер греје живог оксида и приметили да је количина коју је хемикалија смањила била једнака тежини гаса кисеоника који се ослобађа у хемијској реакцији.
Пре него што су хемичари успели да објасне масу ствари које је било тешко пратити, попут водене паре и гасова у траговима, нису могли адекватно тестирати било какве принципе очувања материје, чак и ако су сумњали да такви закони заиста делују.
У сваком случају, ово је довело Лавоисиера до изјављивања да се материја мора чувати у хемијским реакцијама, што значи да је укупна количина материје са сваке стране хемијске једначине једнака. То значи да укупан број атома (али не нужно и укупан број молекула) у реактантима мора бити једнак количини у производима, без обзира на природу хемијске промене.
Преглед очувања масе
Једна потешкоћа коју људи могу имати са законом очувања масе је та што ограничења ваших чула чине неке аспекте закона мање интуитивним.
На пример, када поједете килограм хране и попијете килограм течности, тих шест сати касније можете тежити чак и ако не идете у купатило. То је делом и због тога што се једињења угљеника у храни претварају у угљен диоксид (ЦО)2) и издахните постепено у (обично невидљивој) пари у даху.
У својој основи, као концепт хемије, закон очувања масе је саставни део разумевања физичке науке, укључујући и физику. На пример, у моментном проблему судара, можемо претпоставити да се укупна маса у систему није променила од оне која је била пре судара у нешто другачије после судара, јер се маса - попут момента и енергије - чува.
Шта је остало „сачувано“ у физичкој науци?
Тхе закон очувања енергије каже да се укупна енергија изолованог система никада не мења и да се може изразити на више начина. Један од њих је КЕ (кинетичка енергија) + ПЕ (потенцијална енергија) + унутрашња енергија (ИЕ) = константа. Овај закон произилази из првог закона термодинамике и обезбеђује да се енергија, попут масе, не може створити или уништити.
Моментум (мв) и момент импулса (Л = мвр) такође се чувају у физици, а релевантни закони снажно одређују већи део понашања честица у класичној аналитичкој механици.
Закон очувања масе: Пример
Загријавање калцијумовог карбоната или ЦаЦО3, ствара једињење калцијума, ослобађајући мистериозни гас. Рецимо да имате 1 кг (1.000 г) ЦаЦО3, и открићете да када се загрева, остаје 560 грама једињења калцијума.
Колики је вероватни састав преостале хемијске супстанце калцијума и шта је једињење које је ослобођено као гас?
Прво, пошто је то у суштини хемијски проблем, морат ћете се обратити на периодичну табелу елемената (погледајте пример Ресурси).
Речено вам је да имате првих 1000 г ЦаЦО3. Из молекулских маса саставних атома у табели видите да је Ца = 40 г / мол, Ц = 12 г / мол, и О = 16 г / мол, што чини молекулску масу калцијумовог карбоната у целини 100 г / мол (упамтите да постоје три атома кисеоника у ЦаЦО3). Међутим, имате 1.000 г ЦаЦО3, што је 10 мола ове материје.
У овом примеру, производ калцијума има 10 молова Ца атома; јер је сваки Ца атом 40 г / мол, имате 400 г Ца, за који сигурно можете да претпоставите да је остало након ЦаЦО3 био загрејан. У овом примеру, преосталих 160 г (560 - 400) једињења после загревања представља 10 молова атома кисеоника. Ово мора оставити 440 г масе као ослобођени гас.
Избалансирана једначина мора имати облик
10 ЦаЦО3 → 10 ЦаО +?
и "?" гас мора да садржи угљеник и кисеоник у некој комбинацији; мора имати 20 молова атома кисеоника - већ имате 10 молова атома кисеоника лево од знака + - и самим тим 10 мола атома угљеника. "?" је ЦО2. (У данашњем свету науке чули сте за угљен диоксид, што овај проблем чини незнатном вежбом. Али размислите о времену када чак и научници нису ни знали шта је са "ваздухом".)
Ајнштајн и једнаџба масе-енергије
Студенти физике могли би да збуне познате очување једнаџбе масе-енергије Е = мц2 постулирао Алберт Еинстеин почетком 1900-их питајући се да ли пркоси закону очувања масе (или енергије), јер изгледа да имплицира да се маса може претворити у енергију и обрнуто.
Ниједан закон није кршен; уместо тога, закон потврђује да су маса и енергија заправо различити облици исте ствари.
То је некако као њихово мерење у различитим јединицама с обзиром на ситуацију.
Маса, енергија и тежина у стварном свету
Можда вам не може помоћи, али несвесно изједначавати масу са тежином из горе описаних разлога - маса је само тежина када је гравитација у мешавини, али када је по вашем искуству гравитација не присутан (када сте на Земљи, а нисте у нулте гравитационој комори)?
Тешко је, дакле, материју схватити као само ствари, попут саме енергије, која се покорава одређеним основним законима и принципима.
Такође, баш као што енергија може мењати облике између кинетичких, потенцијалних, електричних, топлотних и других врста, материја чини исто, иако се различити облици материје називају државе: чврста супстанца, гас, течност и плазма.
Ако можете филтрирати како ваша чула перципирају разлике у тим количинама, можда ћете моћи да схватите да постоји мало стварних разлика у физици.
Способност да се главни концепти повежу у „тешким наукама“ у почетку може изгледати напорно, али на крају је увек узбудљиво и корисно.