Zawartość
- Prawo zachowania masy
- Historia prawa masowego zachowania
- Przegląd zachowania masy
- Co jeszcze jest „zachowane” w naukach fizycznych?
- Prawo zachowania masy: przykład
- Einstein i równanie masa-energia
- Masa, energia i waga w realnym świecie
Jedną z wielkich zasad fizyki jest to, że wiele jej najważniejszych właściwości niezachwianie przestrzega ważnej zasady: w łatwo określonych warunkach są one konserwowane, co oznacza, że łączna ilość tych ilości zawartych w wybranym systemie nigdy się nie zmienia.
Cztery powszechne wielkości w fizyce charakteryzują się odpowiednimi prawami zachowania. To są energia, pęd, moment pędu i masa. Pierwsze trzy z nich to wielkości często specyficzne dla problemów mechanicznych, ale masa jest uniwersalna, a odkrycie - lub niejako wykazanie - że masa jest zachowana, potwierdzając pewne długo utrzymywane podejrzenia w świecie nauki, było niezbędne do udowodnienia .
Prawo zachowania masy
The Prawo zachowania masy stwierdza, że w zamknięty system (w tym cały wszechświat), masa nie może zostać stworzona ani zniszczona przez zmiany chemiczne lub fizyczne. Innymi słowy, całkowita masa jest zawsze zachowana. Bezczelna maksyma „To, co wchodzi, musi wyjść!” wydaje się być dosłownym naukowym truizmem, ponieważ nigdy nie wykazano, że po prostu zniknie bez śladu fizycznego.
Wszystkie składniki wszystkich cząsteczek w każdej komórce skóry, które kiedykolwiek zrzuciłeś, wraz z ich atomami tlenu, wodoru, azotu, siarki i węgla, nadal istnieją. Tak jak pokazuje tajemnica science fiction Pliki x oświadcza o prawdzie, cała masa, która kiedykolwiek była „jest tam gdzieś.'
Można go nazwać „prawem zachowania materii”, ponieważ pod nieobecność grawitacji na świecie nie ma nic szczególnego w odniesieniu do szczególnie „masywnych” obiektów; więcej o tym ważnym rozróżnieniu, ponieważ jego znaczenie jest trudne do przecenienia.
Historia prawa masowego zachowania
Odkrycia prawa zachowania masy dokonał w 1789 r. Francuski naukowiec Antoine Lavoisier; inni wcześniej wpadli na ten pomysł, ale Lavoisier jako pierwszy to udowodnił.
W tym czasie większość powszechnej wiary w chemię w teorię atomową wciąż pochodziła od starożytnych Greków, a dzięki nowszym pomysłom sądzono, że coś jest w ogniu („flogiston„) była w rzeczywistości substancją. Naukowcy uzasadnili, że wyjaśnił, dlaczego stos popiołów jest lżejszy niż cokolwiek, co zostało spalone w celu wytworzenia popiołów.
Lavoisier się rozgrzał tlenek rtęci i zauważył, że ilość zmniejszonej masy chemikaliów była równa masie tlenu gazowego uwolnionego w reakcji chemicznej.
Zanim chemicy zdążyliby wyjaśnić masy rzeczy, które były trudne do śledzenia, takich jak para wodna i gazy śladowe, nie byli w stanie odpowiednio przetestować żadnych zasad ochrony materii, nawet jeśli podejrzewali, że takie prawa faktycznie działają.
W każdym razie doprowadziło to Lavoisiera do stwierdzenia, że materia musi być zachowana w reakcjach chemicznych, co oznacza, że całkowita ilość materii po każdej stronie równania chemicznego jest taka sama. Oznacza to, że całkowita liczba atomów (ale niekoniecznie całkowita liczba cząsteczek) w reagentach musi być równa ilości w produktach, bez względu na charakter zmiany chemicznej.
Przegląd zachowania masy
Jedną trudnością, jaką ludzie mogą mieć z prawem zachowania masy, jest to, że ograniczenia twoich zmysłów sprawiają, że niektóre aspekty prawa są mniej intuicyjne.
Na przykład, kiedy jesz funt jedzenia i pijesz funt płynu, możesz ważyć te same sześć godzin później, nawet jeśli nie pójdziesz do łazienki. Wynika to częściowo z tego, że związki węgla w żywności przekształcane są w dwutlenek węgla (CO2) i wydychane stopniowo w (zwykle niewidocznej) parze w oddechu.
U podstaw, jako koncepcji chemicznej, prawo zachowania masy stanowi integralną część zrozumienia fizyki, w tym fizyki. Na przykład, w przypadku problemu pędu dotyczącego kolizji, możemy założyć, że całkowita masa w układzie nie zmieniła się z tego, co było przed zderzeniem, na coś innego po zderzeniu, ponieważ masa - jak pęd i energia - jest zachowana.
Co jeszcze jest „zachowane” w naukach fizycznych?
The prawo zachowania energii stwierdza, że całkowita energia izolowanego układu nigdy się nie zmienia i można to wyrazić na wiele sposobów. Jednym z nich jest KE (energia kinetyczna) + PE (energia potencjalna) + energia wewnętrzna (IE) = stała. To prawo wynika z pierwszej zasady termodynamiki i zapewnia, że energia, podobnie jak masa, nie może być wytworzona ani zniszczona.
Pęd (mv) i moment pędu (L. = mvr) są również zachowane w fizyce, a odpowiednie prawa silnie determinują wiele zachowań cząstek w klasycznej mechanice analitycznej.
Prawo zachowania masy: przykład
Ogrzewanie węglanu wapnia lub CaCO3, wytwarza związek wapnia, uwalniając tajemniczy gaz. Powiedzmy, że masz 1 kg (1000 g) CaCO3i odkrywasz, że po podgrzaniu pozostaje 560 gramów związku wapnia.
Jaki jest prawdopodobny skład pozostałej substancji chemicznej wapnia i jaki związek został uwolniony jako gaz?
Po pierwsze, ponieważ jest to zasadniczo problem chemiczny, musisz odwołać się do układu okresowego pierwiastków (patrz przykład Zasoby).
Mówi się, że masz początkowe 1000 g CaCO3. Z mas cząsteczkowych atomów składowych w tabeli widać, że Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol, a O = 16 g / mol, co daje masę cząsteczkową węglanu wapnia jako całości 100 g / mol (pamiętaj, że w CaCO są trzy atomy tlenu)3). Masz jednak 1000 g CaCO3, czyli 10 moli substancji.
W tym przykładzie produkt wapniowy ma 10 moli atomów Ca; ponieważ każdy atom Ca wynosi 40 g / mol, masz w sumie 400 g Ca, które możesz bezpiecznie założyć, że pozostało po CaCO3 był ogrzewany. W tym przykładzie pozostałe 160 g (560–400) związku dodatkowego ogrzewania stanowi 10 moli atomów tlenu. To musi pozostawić 440 g masy jako uwolnionego gazu.
Zrównoważone równanie musi mieć postać
10 CaCO3 → 10 CaO +?
i „?” gaz musi zawierać węgiel i tlen w pewnej kombinacji; musi mieć 20 moli atomów tlenu - masz już 10 moli atomów tlenu po lewej stronie znaku + - a zatem 10 moli atomów węgla. „?” jest CO2. (W dzisiejszym świecie nauki słyszałeś o dwutlenku węgla, co czyni z tego problemu coś banalnego. Ale pomyśl o czasie, w którym nawet naukowcy nawet nie wiedzą, co jest w powietrzu.)
Einstein i równanie masa-energia
Sławni mogą pomylić studentów fizyki zachowanie równania masa-energia E = mc2 postulowany przez Alberta Einsteina na początku XX wieku, zastanawiając się, czy nie narusza prawa zachowania masy (lub energii), ponieważ wydaje się, że implikuje to, że masę można przekształcić w energię i odwrotnie.
Żadne prawo nie jest naruszone; zamiast tego prawo potwierdza, że masa i energia są w rzeczywistości różnymi formami tej samej rzeczy.
To trochę jak mierzenie ich w różnych jednostkach, biorąc pod uwagę sytuację.
Masa, energia i waga w realnym świecie
Być może nie możesz nie poradzić sobie z nieświadomym zrównaniem masy z ciężarem z powodów opisanych powyżej - masa jest ciężarem tylko wtedy, gdy grawitacja jest w mieszance, ale kiedy z twojego doświadczenia wynika grawitacja nie obecny (gdy jesteś na Ziemi, a nie w komorze o zerowej grawitacji)?
Trudno jest zatem wyobrazić sobie materię jako coś takiego, jak sama w sobie energia, która przestrzega pewnych podstawowych praw i zasad.
Podobnie, jak energia może zmieniać formy między kinetyczną, potencjalną, elektryczną, termiczną i innymi rodzajami, materia robi to samo, chociaż różne formy materii nazywane są stany: ciało stałe, gaz, ciecz i plazma.
Jeśli potrafisz przefiltrować sposób, w jaki twoje zmysły postrzegają różnice w tych ilościach, być może zauważysz, że istnieje niewiele rzeczywistych różnic w fizyce.
Możliwość powiązania głównych koncepcji w „naukach ścisłych” może początkowo wydawać się uciążliwa, ale ostatecznie zawsze jest ekscytująca i satysfakcjonująca.