Sisu
- Masu säilitamise seadus
- Massikaitse seaduse ajalugu
- Ülevaade masu säilimisest
- Mis veel on füüsikateaduses "konserveeritud"?
- Massi säilitamise seadus: näide
- Einstein ja mass-energia võrrand
- Mass, energia ja kaal reaalses maailmas
Füüsika üks peamisi määratlevaid põhimõtteid on see, et paljud selle kõige olulisemad omadused järgivad vankumatult olulist põhimõtet: hõlpsalt määratletud tingimustes konserveeritud, mis tähendab, et nende valitud süsteemis sisalduvate koguste üldkogus ei muutu kunagi.
Füüsikas on neli tavalist suurust iseloomustatud nende suhtes kehtivate kaitseseadustega. Need on energia, hoog, nurkne hoog ja mass. Neist esimesed kolm on sageli mehaanikaprobleemidele omased kogused, kuid mass on universaalne ja avastus - või demonstreerimine, nagu see ka poleks -, et mass on konserveeritud, kinnitades samal ajal teadusmaailmas mõnda pikaajalist kahtlust, oli tõestamiseks ülitähtis. .
Masu säilitamise seadus
massi säilitamise seadus nendib, et a suletud süsteem (kaasa arvatud kogu universum), massi ei saa keemiliste ega füüsikaliste muutustega luua ega hävitada. Teisisõnu, kogumass on alati konserveeritud. Nipsakas maksimum "Mis sisse tuleb, peab välja tulema!" näib olevat sõnasõnaline teaduslik truism, kuna kunagi pole näidatud, et miski kaoks lihtsalt ilma füüsilise jäljeta.
Igas naharakus sisalduvate kõigi molekulide kõik komponendid koos hapniku, vesiniku, lämmastiku, väävli ja süsiniku aatomitega on endiselt olemas. Täpselt nagu müsteeriumi ulmesaade X-failid kuulutab tõe kohta, et kogu mass, mis kunagi olnud on, on kohal kusagil.'
Seda võiks nimetada hoopis "aine säilitamise seaduseks", kuna gravitatsiooni puudumise korral pole maailmas eriti "massiivsete" objektide jaoks midagi erilist; sellest olulisest eristusest tuleb veel rohkem aru, kuna selle olulisust on raske ülehinnata.
Massikaitse seaduse ajalugu
Massi säilitamise seaduse avastas 1789. aastal prantsuse teadlane Antoine Lavoisier; teised olid selle idee juba varem välja pakkunud, kuid Lavoisier pidi seda kõigepealt tõestama.
Tol ajal pärines suur osa keemias valitsevast veendumusest aatomiteooria kohta ikka iidsetelt kreeklastelt ja tänu hilisematele ideedele arvati, et miski tule sees ("phlogiston") oli tegelikult aine. See, selgitasid teadlased, selgitasid, miks tuhahunnik on kergem kui see, mis tuha tootmiseks põletati.
Lavoisier köetakse elavhõbeoksiid ja märkis, et kemikaalide massi vähenemine oli võrdne keemilises reaktsioonis eralduva hapniku gaasi massiga.
Enne kui keemikud suutsid aru saada raskesti jälgitavate asjade massist, näiteks veeaur ja jäljendusgaasid, ei suutnud nad piisavalt katsetada ühtegi aine säilitamise põhimõtet, isegi kui nad kahtlustasid, et sellised seadused tõepoolest toimivad.
Igal juhul pani see Lavoisier väitma, et ainet tuleb keemilistes reaktsioonides säilitada, see tähendab, et aine üldkogus keemilise võrrandi mõlemal küljel on sama. See tähendab, et reagentide aatomite koguarv (kuid mitte tingimata molekulide koguarv) reagentides peab olema võrdne produktides sisalduva kogusega, sõltumata keemilise muutuse olemusest.
Ülevaade masu säilimisest
Massi säilitamise seadusega võib inimestel raskusi olla see, et teie meelte piirid muudavad seaduse mõned aspektid vähem intuitiivseks.
Näiteks kui sööte kilo toitu ja joote kilo vedelikku, võite kaaluda sama umbes kuus tundi hiljem, isegi kui te ei lähe vannituppa. See on osaliselt tingitud sellest, et toidus olevad süsinikuühendid muundatakse süsinikdioksiidiks (CO2) ja hingatakse järk-järgult välja (tavaliselt nähtamatu) auru sissehingamisel.
Selle keskmes on keemiakontseptsioonina massi säilitamise seadus füüsilise teaduse, sealhulgas füüsika mõistmisel. Näiteks võime kokkupõrke hetkeprobleemi korral eeldada, et süsteemi kogumass ei ole muutunud sellest, mis oli enne kokkupõrget, pärast kokkupõrget millekski teistsuguseks, kuna mass - nagu hoog ja energia - on säilinud.
Mis veel on füüsikateaduses "konserveeritud"?
energia säästmise seadus väidab, et isoleeritud süsteemi koguenergia ei muutu kunagi ja seda saab väljendada mitmel viisil. Üks neist on KE (kineetiline energia) + PE (potentsiaalne energia) + sisemine energia (IE) = konstant. See seadus tuleneb esimesest termodünaamika seadusest ja tagab, et energiat, nagu ka massi, ei saa luua ega hävitada.
Hoog (mv) ja nurkne hoog (L = mvr) on konserveeritud ka füüsikas ja vastavad seadused määravad suuresti osakeste käitumise klassikalises analüütilises mehaanikas.
Massi säilitamise seadus: näide
Kaltsiumkarbonaadi või CaCO kuumutamine3, toodab kaltsiumühendit, vabastades samal ajal müstilise gaasi. Oletame, et teil on 1 kg (1000 g) CaCO-d3ja avastad, et seda kuumutades jääb 560 grammi kaltsiumiühendit.
Milline on järelejäänud kaltsiumi keemilise aine tõenäoline koostis ja mis on ühend, mis vabanes gaasina?
Esiteks, kuna see on põhimõtteliselt keemiaprobleem, peate viitama perioodilisele elementide tabelile (näite saamiseks vt ressursse).
Teile öeldakse, et teil on see esialgne 1000 g CaCO-d3. Tabelis sisalduvate koostisosade aatomite molekulmasside põhjal näete, et Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol ja O = 16 g / mol, muutes kaltsiumkarbonaadi molekulmassiks tervikuna 100 g / mol (pidage meeles, et CaCO-s on kolm hapnikuaatomit)3). Teil on aga 1000 g CaCO-d3, mis on 10 mooli ainet.
Selles näites on kaltsiumisaaduses 10 mooli Ca aatomit; kuna iga Ca aatom on 40 g / mol, on teil kokku Ca 400 g, nii et võite kindlalt arvata, et see jäi pärast CaCO3 kuumutati. Selle näite korral tähistab ülejäänud 160 g (560 - 400) järelkuumutusühendit 10 mooli hapnikuaatomit. Vabanenud gaasina peab jääma 440 g massi.
Tasakaalustatud võrrandil peab olema vorm
10 CaCO3 → 10 CaO +?
ja "?" gaas peab mingis kombinatsioonis sisaldama süsinikku ja hapnikku; sellel peab olema 20 mooli hapnikuaatomit - teil on juba 10 mooli hapnikuaatomit + -märgist vasakul - ja seetõttu 10 mooli süsinikuaatomit. "" on CO2. (Tänapäeva teadusmaailmas olete kuulnud süsinikdioksiidist, muutes selle probleemi triviaalseks harjutamiseks. Kuid mõelge ajale, mil teadlased isegi ei teadnud, mis õhus oli.)
Einstein ja mass-energia võrrand
Füüsikaõpilased võivad kuulsad segi ajada mass-energia võrrandi säilitamine E = mc2 Albert Einsteini poolt 1900. aastate alguses postuleeritud, mõtlesin, kas see on massi (või energia) säilitamise seaduse vastu, kuna see näib viitavat sellele, et mass saab muundada energiaks ja vastupidi.
Kumbagi seadust ei rikuta; selle asemel kinnitab seadus, et mass ja energia on tegelikult sama asja erinevad vormid.
Olukorda arvestades on see justkui nende mõõtmine erinevates ühikutes.
Mass, energia ja kaal reaalses maailmas
Võib-olla ei saa te aidata, kuid alateadlikult võrdsustate massi kaaluga ülalkirjeldatud põhjustel - mass on kaal ainult siis, kui gravitatsioon on segunenud, kuid kui teie kogemusel on gravitatsioon mitte kohal (kui olete Maal ja mitte nullgravitatsioonikambris)?
Siis on raske ette kujutada ainet lihtsalt asjadena, nagu omaette energia, mis järgib teatavaid põhiseadusi ja põhimõtteid.
Nii nagu energia võib muuta vorme kineetilise, potentsiaalse, elektrilise, termilise ja muud tüüpi vahel, teeb mateeria sama asja, ehkki mateeria eri vorme nimetatakse osariigid: tahke, gaas, vedel ja plasma.
Kui saate filtreerida, kuidas teie enda meeled tajuvad nende suuruste erinevusi, siis võiksite mõista, et füüsikas on tegelikke erinevusi vähe.
Peamiste kontseptsioonide sidumine "rasketes teadustes" võib alguses tunduda vaevaline, kuid lõpuks on see alati põnev ja rahuldust pakkuv.