Содержание
- Закон сохранения массы
- История закона о массовом сохранении
- Обзор сохранения массы
- Что еще «сохраняется» в физике?
- Закон сохранения массы: пример
- Эйнштейн и уравнение массы-энергии
- Масса, энергия и вес в реальном мире
Один из великих определяющих принципов физики состоит в том, что многие из его наиболее важных свойств неизменно подчиняются важному принципу: при легко определенных условиях они законсервированыЭто означает, что общее количество этих количеств, содержащихся в выбранной вами системе, никогда не изменяется.
Четыре общие величины в физике характеризуются наличием законов сохранения, которые применяются к ним. Это энергия, импульс, угловой момент а также масса, Первые три из них являются величинами, часто специфичными для проблем механики, но масса универсальна, и открытие - или демонстрация - как бы - что масса сохраняется, подтверждая некоторые давние подозрения в научном мире, было жизненно важно доказать ,
Закон сохранения массы
закон сохранения массы утверждает, что в закрытая система (включая всю вселенную) масса не может быть ни создана, ни разрушена химическими или физическими изменениями. Другими словами, общая масса всегда сохраняется, Нахальная изречение "Что входит, то должно выйти!" кажется буквальным научным трюизмом, так как ничто никогда не показывало, что оно просто исчезает без физического следа.
Все компоненты всех молекул в каждой клетке кожи, которые вы когда-либо теряли, с их атомами кислорода, водорода, азота, серы и углерода, все еще существуют. Так же, как научно-фантастический сериал Секретные материалы заявляет об истине, вся масса, которая когда-либо была где-то.'
Вместо этого его можно было бы назвать «законом сохранения материи», поскольку в отсутствие гравитации в мире нет ничего особенного, особенно в отношении «массивных» объектов; Далее следует это важное различие, поскольку его актуальность трудно переоценить.
История закона о массовом сохранении
Открытие закона сохранения массы было сделано в 1789 году французским ученым Антуаном Лавуазье; другие предлагали эту идею раньше, но Лавуазье был первым, кто доказал это.
В то время большая часть преобладающей веры в химию в атомную теорию все еще исходила от древних греков, и благодаря более поздним идеям считалось, что что-то в огне ("флогистон") на самом деле было веществом. Это, как рассуждали ученые, объяснило, почему куча пепла легче, чем то, что было сожжено, чтобы произвести пепел.
Лавуазье с подогревом оксид ртути и отметил, что количество уменьшенного веса химических веществ было равно весу газообразного кислорода, выделившегося в химической реакции.
До того, как химики смогли объяснить массу вещей, которые было трудно отследить, таких как водяной пар и следовые газы, они не смогли адекватно проверить какие-либо принципы сохранения материи, даже если бы они подозревали, что такие законы действительно действуют.
В любом случае это привело Лавуазье к утверждению, что вещество должно сохраняться в химических реакциях, а это означает, что общее количество вещества на каждой стороне химического уравнения одинаково. Это означает, что общее количество атомов (но не обязательно общее количество молекул) в реагентах должно равняться количеству в продуктах, независимо от характера химического изменения.
Обзор сохранения массы
Одна трудность, с которой люди могут столкнуться с законом сохранения массы, заключается в том, что ограничения ваших чувств делают некоторые аспекты закона менее интуитивными.
Например, когда вы едите фунт пищи и пьете фунт жидкости, вы можете весить столько же через шесть часов, даже если вы не ходите в ванную. Это отчасти потому, что соединения углерода в пищевых продуктах превращаются в диоксид углерода (СО2) и выдыхается постепенно (обычно невидимым) паром в вашем дыхании.
По своей сути, как концепция химии, закон сохранения массы является неотъемлемой частью понимания физической науки, включая физику. Например, в проблеме импульса о столкновении мы можем предположить, что общая масса в системе не изменилась с того, что было до столкновения, к чему-то другому после столкновения, потому что масса - как импульс и энергия - сохраняется.
Что еще «сохраняется» в физике?
закон сохранения энергии утверждает, что полная энергия изолированной системы никогда не меняется, и это может быть выражено несколькими способами. Одним из них является KE (кинетическая энергия) + PE (потенциальная энергия) + внутренняя энергия (IE) = постоянная. Этот закон следует из первого закона термодинамики и гарантирует, что энергия, как и масса, не может быть создана или разрушена.
инерция (мv) а также угловой момент (L = мвр) также сохраняются в физике, и соответствующие законы сильно определяют большую часть поведения частиц в классической аналитической механике.
Закон сохранения массы: пример
Нагрев карбоната кальция или СаСО3, производит соединение кальция при выделении таинственного газа. Допустим, у вас есть 1 кг (1000 г) CaCO3и вы обнаружите, что при нагревании остается 560 граммов соединения кальция.
Каков вероятный состав оставшегося химического вещества кальция и какое соединение было выделено в виде газа?
Во-первых, поскольку это по сути проблема химии, вам необходимо обратиться к периодической таблице элементов (пример см. В разделе Ресурсы).
Вам говорят, что у вас есть эти первоначальные 1000 г CaCO3, Из молекулярных масс составляющих атомов в таблице видно, что Ca = 40 г / моль, C = 12 г / моль и O = 16 г / моль, что делает молекулярную массу карбоната кальция в целом 100 г / мол (помните, что в СаСО три атома кислорода3). Тем не менее, у вас есть 1000 г CaCO3, что составляет 10 молей вещества.
В этом примере кальциевый продукт имеет 10 молей атомов Ca; потому что каждый атом Ca составляет 40 г / моль, у вас есть 400 г общего количества Ca, которое, как можно с уверенностью, осталось после CaCO3 было нагрето. Для этого примера оставшиеся 160 г (560-400) соединения, полученного после нагревания, представляют 10 молей атомов кислорода. Это должно оставить 440 г массы как освобожденный газ.
Сбалансированное уравнение должно иметь вид
10 CaCO3 → 10 CaO +?
и "?" газ должен содержать углерод и кислород в некоторой комбинации; у него должно быть 20 молей атомов кислорода - у вас уже есть 10 молей атомов кислорода слева от знака + - и, следовательно, 10 молей атомов углерода. "?" это СО2. (В современном научном мире вы слышали о углекислом газе, превращающем эту проблему в тривиальное упражнение. Но подумайте о том времени, когда даже ученые даже не знали, что находится в «воздухе».)
Эйнштейн и уравнение массы-энергии
Студенты-физики могут быть смущены знаменитыми сохранение уравнения массы-энергии E = mc2 Постулированный Альбертом Эйнштейном в начале 1900-х годов, он задавался вопросом, не нарушает ли он закон сохранения массы (или энергии), поскольку, по-видимому, подразумевает, что масса может быть преобразована в энергию и наоборот.
Ни один закон не нарушен; вместо этого закон утверждает, что масса и энергия на самом деле являются разными формами одного и того же.
Это похоже на измерение их в разных единицах, учитывая ситуацию.
Масса, энергия и вес в реальном мире
Возможно, вы не можете помочь, но неосознанно приравниваете массу к массе по причинам, описанным выше: масса - это только вес, когда в смеси есть гравитация, но когда в вашем опыте есть гравитация не настоящее (когда вы находитесь на Земле, а не в невесомости)?
Таким образом, трудно представить себе материю как простой материал, подобный энергии как таковой, которая подчиняется определенным фундаментальным законам и принципам.
Кроме того, так же, как энергия может изменять формы между кинетическим, потенциальным, электрическим, тепловым и другими типами, материя делает то же самое, хотя разные формы материи называются состояния: твердое тело, газ, жидкость и плазма.
Если вы сможете отфильтровать то, как ваши собственные чувства воспринимают различия в этих величинах, вы сможете понять, что в физике мало реальных различий.
На первый взгляд может показаться трудным связать воедино основные понятия в «естественных науках», но в конечном итоге это всегда волнительно и полезно.