Conţinut
- Legea conservării masei
- Istoria Legii conservării masei
- Prezentare generală a conservării masei
- Ce altceva este „conservat” în științele fizice?
- Legea conservării masei: exemplu
- Einstein și ecuația de masă-energie
- Masa, energia și greutatea în lumea reală
Unul dintre marile principii definitorii ale fizicii este faptul că multe dintre cele mai importante proprietăți ale acesteia se supun de neclintit unui principiu important: în condiții ușor de specificat, acestea sunt conservatceea ce înseamnă că suma totală a acestor cantități conținute în sistemul pe care l-ați ales nu se modifică niciodată.
Patru cantități comune în fizică se caracterizează prin a avea legi de conservare care li se aplică. Acestea sunt energie, impuls, impuls unghiular și masa. Primele trei dintre acestea sunt cantități adesea specifice problemelor de mecanică, dar masa este universală, iar descoperirea - sau demonstrația, așa cum s-a spus - această masă este conservată, confirmând în același timp unele suspiciuni de lungă durată în lumea științei. .
Legea conservării masei
legea conservării masei afirmă că, în a sistem închis (inclusiv întregul univers), masa nu poate fi nici creată, nici distrusă prin schimbări chimice sau fizice. Cu alte cuvinte, masa totală este întotdeauna conservată. Maximul obraznic "Ce intră, trebuie să iasă!" pare a fi un truism științific literal, întrucât nimic nu s-a dovedit a dispărea pur și simplu fără urmă fizică.
Toate componentele tuturor moleculelor din fiecare celulă a pielii pe care le-ai vărsat vreodată, cu atomii lor de oxigen, hidrogen, azot, sulf și carbon, există încă. La fel cum arată misterul science fiction Fișierele X declară despre adevăr, toată masa care a fost vreodată „este acolo undeva.'
Ar putea fi numită în schimb „legea conservării materiei”, deoarece gravitatea absentă nu există nimic special în lume cu privire la obiectele în special „masive”; urmează mai mult această distincție importantă, întrucât relevanța sa este greu de supraestimat.
Istoria Legii conservării masei
Descoperirea legii conservării masei a fost făcută în 1789 de savantul francez Antoine Lavoisier; alții veniseră cu ideea înainte, dar Lavoisier a fost cel care a dovedit-o mai întâi.
La vremea respectivă, o mare parte din credința predominantă în chimie despre teoria atomică provenea încă de la vechii greci și, datorită ideilor mai recente, s-a crezut că ceva din interiorul focului ("phlogiston") a fost de fapt o substanță. Aceasta, au motivat oamenii de știință, au explicat de ce o grămadă de cenușă este mai ușoară decât orice a fost arsă pentru a produce cenușa.
Lavoisier încălzit oxid mercuric și a observat că cantitatea de greutate a substanțelor chimice a scăzut a fost egală cu greutatea gazului de oxigen eliberat în reacția chimică.
Înainte ca chimiștii să poată da seama de masele de lucruri dificil de urmărit, cum ar fi vaporii de apă și gazele de urme, nu au putut testa în mod adecvat niciun principiu de conservare a materiei, chiar dacă ar fi suspectat că astfel de legi funcționau.
În orice caz, acest lucru la determinat pe Lavoisier să afirme că materia trebuie conservată în reacții chimice, ceea ce înseamnă că cantitatea totală de materie de pe fiecare parte a unei ecuații chimice este aceeași. Aceasta înseamnă numărul total de atomi (dar nu neapărat numărul total de molecule) din reactanți trebuie să fie egal cu cantitatea din produse, indiferent de natura schimbării chimice.
Prezentare generală a conservării masei
O dificultate pe care oamenii o pot avea cu legea conservării masei este că limitele simțurilor tale fac ca anumite aspecte ale legii să fie mai puțin intuitive.
De exemplu, atunci când mănânci o jumătate de kilogram de mâncare și bei un kilogram de lichid, s-ar putea să cântărești aceleași șase ore după aceea, chiar dacă nu mergi la baie. Acest lucru se datorează în parte faptului că compușii de carbon din alimente sunt convertiți în dioxid de carbon (CO2) și expiră treptat în vaporii (de obicei invizibili) din respirația ta.
La baza sa, ca concept de chimie, legea conservării masei este integrală pentru a înțelege științele fizice, inclusiv fizica. De exemplu, într-o problemă de moment cu privire la coliziune, putem presupune că masa totală din sistem nu s-a schimbat de la ceea ce a fost înainte de coliziune la ceva diferit după coliziune, deoarece masa - ca impulsul și energia - este conservată.
Ce altceva este „conservat” în științele fizice?
legea conservării energiei afirmă că energia totală a unui sistem izolat nu se schimbă niciodată și că poate fi exprimată într-o serie de moduri. Unul dintre acestea este KE (energie cinetică) + PE (energie potențială) + energie internă (IE) = o constantă. Această lege rezultă din prima lege a termodinamicii și asigură că energia, la fel ca masa, nu poate fi creată sau distrusă.
Impuls (mv) și impuls unghiular (L = mvr) sunt, de asemenea, conservate în fizică, iar legile relevante determină puternic o mare parte a comportamentului particulelor în mecanica analitică clasică.
Legea conservării masei: exemplu
Încălzirea carbonatului de calciu sau CaCO3, produce un compus de calciu în timp ce eliberează un gaz misterios. Să spunem că aveți 1 kg (1.000 g) de CaCO3și descoperiți că atunci când acesta este încălzit, rămân 560 grame de compus de calciu.
Care este compoziția probabilă a substanței chimice rămase de calciu și care este compusul care a fost eliberat sub formă de gaz?
În primul rând, întrucât aceasta este în esență o problemă de chimie, va trebui să vă referiți la un tabel periodic de elemente (a se vedea resursele pentru un exemplu).
Vi se spune că aveți acei 1.000 g de CaCO inițiali3. Din masele moleculare ale atomilor constituenți din tabel, vedeți că Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol și O = 16 g / mol, făcând masa moleculară a carbonatului de calciu în totalitate 100 g / mol (amintiți-vă că există trei atomi de oxigen în CaCO3). Cu toate acestea, aveți 1.000 g de CaCO3, care este 10 moli de substanță.
În acest exemplu, produsul de calciu are 10 moli de atomi de Ca; deoarece fiecare atom de Ca este de 40 g / mol, aveți 400 g total de Ca pe care îl puteți presupune în siguranță a rămas după CaCO3 a fost încălzit. Pentru acest exemplu, restul de 160 g (560 - 400) de compus post-încălzire reprezintă 10 moli de atomi de oxigen. Aceasta trebuie să lase 440 g de masă sub formă de gaz eliberat.
Ecuația echilibrată trebuie să aibă forma
10 CaCO3 → 10 CaO +?
si "?" gazul trebuie să conțină carbon și oxigen într-o combinație; trebuie să aibă 20 de moli de atomi de oxigen - aveți deja 10 moli de atomi de oxigen la stânga semnului + - și, prin urmare, 10 moli de atomi de carbon. „?” este CO2. (În lumea științei de astăzi, ați auzit de dioxid de carbon, făcând din această problemă un exercițiu banal. Dar gândiți-vă la un moment în care nici oamenii de știință nu au știut chiar ce se află în „aer”).
Einstein și ecuația de masă-energie
Studenții de fizică ar putea fi confundați de celebrul conservarea ecuației masă-energie E = mc2 postulat de Albert Einstein la începutul anilor 1900, întrebându-se dacă sfidează legea conservării masei (sau a energiei), deoarece pare că implică că masa poate fi transformată în energie și invers.
Nici legea nu este încălcată; în schimb, legea afirmă că masa și energia sunt de fapt forme diferite ale aceluiași lucru.
Este asemanator cu masurarea lor in diferite unitati avand in vedere situatia.
Masa, energia și greutatea în lumea reală
Poate că nu vă puteți ajuta să echilibrați inconștient masa cu greutatea din motivele descrise mai sus - masa este doar greutatea atunci când gravitația este în amestec, dar când în experiența dvs. este gravitația nu prezent (când ești pe Pământ și nu într-o cameră cu gravitație zero)?
Apoi, este greu să concepem materia ca pe niște chestii simple, precum energia în sine, care se supune anumitor legi și principii fundamentale.
De asemenea, la fel cum energia poate schimba formele între cinetic, potențial, electric, termic și alte tipuri, materia face același lucru, deși diferitele forme de materie sunt numite statele: solid, gaz, lichid și plasmă.
Dacă puteți filtra modul în care simțurile proprii percep diferențele dintre aceste cantități, puteți aprecia că există câteva diferențe reale în fizică.
A fi capabil să legați concepte majore în „științele dure” poate părea dificil la început, dar este întotdeauna interesant și plină de satisfacții.