Sadržaj
- Zakon očuvanja mase
- Povijest zakona o masovnoj očuvanju
- Pregled očuvanja mase
- Što je ostalo "sačuvano" u fizikalnoj znanosti?
- Zakon očuvanja mase: Primjer
- Einstein i jednadžba mase-energije
- Masa, energija i težina u stvarnom svijetu
Jedno od glavnih definirajućih načela fizike je da mnoga njegova najvažnija svojstva nepokolebljivo podležu važnom načelu: Pod lako određenim uvjetima, oni su očuvan, što znači da se ukupna količina tih količina sadržanih u sustavu koji ste odabrali nikada ne mijenja.
Četiri uobičajene veličine u fizici su karakteristične po tome što imaju zakone očuvanja koji se na njih odnose. Ovi su energija, moment, kutni zamah i masa, Prve tri od njih su količine često specifične za probleme mehanike, ali masa je univerzalna, a otkriće - ili demonstracija, kako je bilo - sačuvana je masa, potvrđujući neke dugotrajne sumnje u svijetu znanosti, bilo presudno za dokazivanje ,
Zakon očuvanja mase
zakon očuvanja mase navodi da, u a.s. zatvoreni sustav (uključujući cijeli svemir), masa se ne može stvoriti niti uništiti kemijskim ili fizičkim promjenama. Drugim riječima, ukupna masa se uvijek čuva, Bezobrazna maksima "Što ulazi, mora izaći!" Čini se da je doslovni znanstveni truizam, jer se nikada nije pokazalo da ništa jednostavno nestaje bez ikakvog fizičkog traga.
Sve komponente svih molekula u svakoj stanici kože koju ikad ispustite, s njihovim atomima kisika, vodika, dušika, sumpora i ugljika još uvijek postoje. Baš kao što pokazuje i misteriozna znanstvena fantastika Datoteke X izjavljuje o istini, sva masa koja je ikada bila "je vani negdje.'
Moglo bi se, umjesto toga, nazvati „zakonom očuvanja materije“ jer, odsutna gravitacija, ne postoji ništa posebno u svijetu o posebno „masivnim“ objektima; dalje o ovom važnom razlučivanju, budući da je njegovu važnost teško pretjerati.
Povijest zakona o masovnoj očuvanju
Otkrivanje zakona očuvanja mase dao je 1789. godine francuski znanstvenik Antoine Lavoisier; drugi su ideju smislili i prije, ali Lavoisier je to prvi trebao dokazati.
U to je vrijeme veliki dio vladajućeg vjerovanja u kemiji o atomskoj teoriji još uvijek potjecao od starih Grka, i zahvaljujući novijim idejama, mislilo se da je nešto unutar vatre ("flogiston") je zapravo tvar. To su, naučnici obrazložili, objasnili zašto je gomila pepela lakša od onoga što je spaljeno da bi se stvorio pepeo.
Lavoisier je grijao živog oksida i primijetio da je količina smanjene težine kemikalija jednaka težini plina kisika koji se oslobađa u kemijskoj reakciji.
Prije nego što su kemičari mogli objasniti masu stvari koje je bilo teško pratiti, poput vodene pare i plinova u tragovima, nisu mogli adekvatno testirati bilo koja načela očuvanja materije, čak i ako su sumnjali da takvi zakoni zaista djeluju.
U svakom slučaju, to je dovelo Lavoisiera do izjavljivanja da se tvar mora čuvati u kemijskim reakcijama, što znači da je ukupna količina materije sa svake strane kemijske jednadžbe ista. To znači da ukupni broj atoma (ali ne nužno i ukupan broj molekula) u reaktantima mora biti jednak količini u proizvodima, bez obzira na prirodu kemijske promjene.
Pregled očuvanja mase
Jedna poteškoća koju ljudi mogu imati sa zakonom očuvanja mase jest ta što ograničenja vaših čula čine neke aspekte zakona manje intuitivnim.
Na primjer, kad pojedete kilogram hrane i popijete kilogram tekućine, možete težiti tih šest ili više sati kasnije, čak i ako ne idete u kupaonicu. Djelomično je to zato što se ugljični spojevi u hrani pretvaraju u ugljični dioksid (CO2) i izdahnite postupno u (obično nevidljivoj) pari u dahu.
Zakon očuvanja mase u svom je srcu, kao koncept kemije, sastavni dio razumijevanja fizičke znanosti, uključujući i fiziku. Na primjer, u momentnom problemu oko sudara možemo pretpostaviti da se ukupna masa u sustavu nije promijenila od onoga što je bilo prije sudara u nešto drugo nakon sudara, jer se masa - poput zamaha i energije - čuva.
Što je ostalo "sačuvano" u fizikalnoj znanosti?
zakon očuvanja energije navodi da se ukupna energija izoliranog sustava nikada ne mijenja i da se može izraziti na više načina. Jedna od njih je KE (kinetička energija) + PE (potencijalna energija) + unutarnja energija (IE) = konstanta. Ovaj zakon proizlazi iz prvog zakona termodinamike i osigurava da se energija, poput mase, ne može stvoriti ili uništiti.
moment (mv) i kutni zamah (L = mvr) također se čuvaju u fizici, a relevantni zakoni snažno određuju velik dio ponašanja čestica u klasičnoj analitičkoj mehanici.
Zakon očuvanja mase: Primjer
Zagrijavanje kalcijevog karbonata, odnosno CaCO3, stvara kalcijev spoj dok oslobađa tajanstveni plin. Recimo da imate 1 kg (1.000 g) CaCO3i otkrijete da kada se ovo zagrijava, ostaje 560 grama kalcijevog spoja.
Koliki je vjerojatni sastav preostale kemijske tvari kalcija i koji je spoj koji je oslobođen kao plin?
Prvo, budući da je to u osnovi problem kemije, morat ćete se obratiti na periodičnu tablicu elemenata (primjer pogledajte Resursi).
Rečeno vam je da imate početnih 1.000 g CaCO3, Iz molekulskih masa sastavnih atoma u tablici vidite da je Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol, i O = 16 g / mol, što čini molekulsku masu kalcijevog karbonata u cjelini 100 g / mol (sjetite se da u CaCO postoje tri atoma kisika3). Međutim, imate 1.000 g CaCO3, što je 10 mola tvari.
U ovom primjeru, proizvod kalcija ima 10 molova Ca atoma; jer je svaki Ca atom 40 g / mol, imate 400 g Ca, za koji sigurno možete pretpostaviti da je ostalo nakon CaCO3 bio je grijan. U ovom primjeru, preostalih 160 g (560 - 400) spoja nakon zagrijavanja predstavlja 10 molova atoma kisika. Time se mora pustiti 440 g mase kao oslobođeni plin.
Uravnotežena jednadžba mora imati oblik
10 CaCO3 → 10 CaO +?
i "?" plin mora sadržavati ugljik i kisik u nekoj kombinaciji; mora imati 20 molova atoma kisika - već imate 10 molova atoma kisika lijevo od znaka + - i zato 10 molova ugljikovih atoma. Znak "?" je CO2. (U današnjem svijetu znanosti čuli ste za ugljični dioksid, što ovaj problem čini neznatnom vježbom. Ali pomislite na vrijeme kada čak i znanstvenici nisu ni znali što je u zraku.)
Einstein i jednadžba mase-energije
Studenti fizike mogli bi zbuniti poznate očuvanje jednadžbe mase-energije E = mc2 postuliran od Alberta Einsteina u ranim 1900-ima pitajući se ne pobija li zakon očuvanja mase (ili energije), jer se čini da implicira da se masa može pretvoriti u energiju i obrnuto.
Ni jedan zakon nije kršen; umjesto toga, zakon potvrđuje da su masa i energija zapravo različiti oblici iste stvari.
To je vrsta poput njihovog mjerenja u različitim jedinicama s obzirom na situaciju.
Masa, energija i težina u stvarnom svijetu
Možda vam ne može pomoći, ali nesvjesno izjednačavati masu s težinom iz gore opisanih razloga - masa je samo težina kada je gravitacija u mješavini, ali kad je po vašem iskustvu gravitacija ne prisutan (kada ste na Zemlji, a niste u komori nulte gravitacije)?
Teško je, dakle, materiju shvatiti kao samo stvari, poput same energije, koja se pokorava određenim temeljnim zakonima i načelima.
Također, baš kao što energija može mijenjati oblike između kinetičkih, potencijalnih, električnih, toplinskih i drugih vrsta, materija čini isto, iako se različiti oblici materije nazivaju Države: kruta tvar, plin, tekućina i plazma.
Ako možete filtrirati kako vlastita osjetila opažaju razlike u tim količinama, možda ćete moći shvatiti da postoji malo stvarnih razlika u fizici.
Biti u stanju povezati glavne pojmove u „teškim znanostima“ u početku se može činiti mučnim, ali na kraju je uvijek uzbudljivo i korisno.