Съдържание
- Законът за опазване на масата
- История на Закона за масовото опазване
- Преглед на опазването на масата
- Какво друго е „запазено“ във физическите науки?
- Закон за запазване на масата: Пример
- Айнщайн и уравнението на маса-енергия
- Маса, енергия и тегло в реалния свят
Един от най-важните определящи принципи на физиката е, че много от най-важните й свойства непоколебимо се подчиняват на важен принцип: При лесно определени условия те са консервирани, което означава, че общото количество на тези количества, съдържащи се в избраната от вас система, никога не се променя.
Четири общи количества във физиката се характеризират с това, че има закони за съхранение, които се отнасят за тях. Това са енергия, импулс, ъглова инерция и маса, Първите три от тях са количества, често специфични за проблемите с механиката, но масата е универсална и откритието - или демонстрацията, както беше - беше запазена, докато потвърждаваше някои дългогодишни подозрения в света на науката, беше жизненоважно да се докаже ,
Законът за опазване на масата
Най- закон за запазване на масата заявява, че в а затворена система (включително цялата вселена), масата не може да бъде създадена, нито унищожена от химически или физически промени. С други думи, общата маса винаги се запазва, Нахалната максима „Какво влиза, трябва да излезе!“ изглежда буквален научен труизъм, тъй като досега нищо не е доказано, че просто изчезва без никаква физическа следа.
Всички компоненти на всички молекули във всяка клетка на кожата, които някога сте хвърлили, с техните кислород, водород, азот, сяра и въглеродни атоми все още съществуват. Точно както показва мистериозната научна фантастика Досиетата Х декларира за истината, цялата маса, която някога е била „е там някъде.'
Вместо това би могло да се нарече „закон за опазване на материята“, защото при липсата на гравитация няма нищо особено в света за особено „масивните“ обекти; следва по-нататък за това важно разграничение, тъй като неговото значение е трудно да се преувеличи.
История на Закона за масовото опазване
Откриването на закона за опазване на масата е направено през 1789 г. от френския учен Антоан Лавоазие; други бяха дошли с идеята и преди, но Лавоазие пръв го докаже.
По онова време голяма част от преобладаващото вярване в химията за атомната теория все още идва от древните гърци и благодарение на по-новите идеи се смяташе, че нещо в рамките на огъня ("флогистон") всъщност е вещество. Това, аргументираха учените, обясниха защо купчина пепел е по-лека от онова, което е изгорено, за да се получи пепелта.
Лавоазие нагрява живачен оксид и отбеляза, че количеството на теглото на химикалите намалено е равно на теглото на кислорода, отделен при химическата реакция.
Преди химиците да успеят да отчетат множеството неща, които са трудни за проследяване, като водни пари и следи от газове, те не могат да тестват адекватно някакви принципи за опазване на материята, дори ако подозират, че такива закони наистина действат.
Във всеки случай това накара Лавоазие да заяви, че материята трябва да се съхранява в химически реакции, което означава, че общото количество материя от всяка страна на химическото уравнение е едно и също. Това означава, че общият брой атоми (но не непременно общият брой молекули) в реактивите трябва да е равен на количеството в продуктите, независимо от естеството на химическата промяна.
Преглед на опазването на масата
Една трудност, която хората могат да имат със закона за запазване на масата е, че границите на сетивата ви правят някои аспекти на закона по-малко интуитивни.
Например, когато изядете килограм храна и изпиете килограм течност, може да претегляте същите шест или повече часа по-късно, дори и да не отидете до банята. Това отчасти се дължи на факта, че въглеродните съединения в храната се превръщат във въглероден диоксид (СО)2) и издишайте постепенно в (обикновено невидимата) пара в дъха си.
В основата си като концепция за химия законът за запазване на масата е неразделна част от разбирането на физическата наука, включително физиката. Например при инерционен проблем относно сблъсъка можем да приемем, че общата маса в системата не се е променила от тази, която е била преди сблъсъка, до нещо различно след сблъсъка, защото масата - като импулс и енергия - се запазва.
Какво друго е „запазено“ във физическите науки?
Най- закон за запазване на енергията заявява, че общата енергия на изолирана система никога не се променя и това може да бъде изразено по много начини. Една от тях е KE (кинетична енергия) + PE (потенциална енергия) + вътрешна енергия (IE) = константа. Този закон следва от първия закон на термодинамиката и гарантира, че енергията, подобно на масата, не може да бъде създадена или унищожена.
Импулс (тV) и ъглова инерция (L = mVR) също се запазват във физиката и съответните закони силно определят голяма част от поведението на частиците в класическата аналитична механика.
Закон за запазване на масата: Пример
Загряването на калциев карбонат, или CaCO3, произвежда калциево съединение, докато освобождава мистериозен газ. Да кажем, че имате 1 кг (1000 g) CaCO3и откривате, че когато това се нагрява, остават 560 грама калциево съединение.
Какъв е вероятният състав на останалото калциево химическо вещество и какво е съединението, което се освобождава като газ?
Първо, тъй като това по същество е проблем с химията, ще трябва да се обърнете към периодична таблица с елементи (вижте Ресурси за пример).
Казват ви, че имате първоначалните 1000 г CaCO3, От молекулните маси на съставните атоми в таблицата виждате, че Са = 40 g / mol, C = 12 g / mol и O = 16 g / mol, което прави молекулната маса на калциев карбонат като цяло 100 g / mol (не забравяйте, че има три кислородни атома в CaCO3). Имате обаче 1000 г CaCO3, което е 10 бенки от веществото.
В този пример калциевият продукт има 10 мола Са атоми; тъй като всеки Ca атом е 40 g / mol, имате 400 g обем Ca, за който можете спокойно да приемете, че е останал след CaCO3 се нагряваше. За този пример, останалите 160 g (560 - 400) съединение след загряване представляват 10 мола кислородни атоми. Това трябва да остави 440 g маса като освободен газ.
Балансираното уравнение трябва да има формата
10 CaCO3 → 10 CaO +?
и "?" газът трябва да съдържа въглерод и кислород в някаква комбинация; трябва да има 20 мола кислородни атоми - вече имате 10 мола кислородни атоми вляво от знака + - и следователно 10 мола въглеродни атоми. "?" е СО2. (В днешния свят на науката сте чували за въглеродния диоксид, което прави този проблем нещо като тривиално упражнение. Но помислете за време, когато дори учените дори не знаят какво е във "въздух.")
Айнщайн и уравнението на маса-енергия
Студентите по физика могат да бъдат объркани от известните запазване на уравнението маса-енергия E = mc2 постулиран от Алберт Айнщайн в началото на 20-те години на миналия век, чудейки се дали не противоречи на закона за запазване на масата (или енергия), тъй като изглежда, че предполага, че масата може да бъде преобразувана в енергия и обратно.
Нито един закон не е нарушен; вместо това законът потвърждава, че масата и енергията всъщност са различни форми на едно и също нещо.
Това е нещо като да ги измервате в различни единици предвид ситуацията.
Маса, енергия и тегло в реалния свят
Може би не можете да помогнете, но несъзнателно приравнете масата с теглото по гореописаните причини - масата е само теглото, когато гравитацията е в сместа, но когато в опита ви е гравитацията не присъстваш (когато си на Земята, а не в камера с нулева гравитация)?
Тогава е трудно да разбереш материята като просто неща, като енергия сама по себе си, която се подчинява на някои основни закони и принципи.
Също така, както енергията може да променя форми между кинетични, потенциални, електрически, топлинни и други видове, материята прави едно и също нещо, въпреки че различните форми на материята се наричат състояния: твърди, газови, течни и плазмени.
Ако можете да филтрирате как вашите собствени сетива възприемат разликите в тези количества, може да сте в състояние да прецените, че има малко действителни разлики във физиката.
Да можеш да свържеш основни понятия заедно в „твърдите науки“ може да изглежда трудно в началото, но в крайна сметка винаги е вълнуващо и полезно.