Περιεχόμενο
- Ο νόμος της συντήρησης της μάζας
- Ιστορία του νόμου περί συντήρησης μάζας
- Επισκόπηση της Διατήρησης της Μάζας
- Τι άλλο "συντηρείται" στη φυσική επιστήμη;
- Νόμος διατήρησης της μάζας: Παράδειγμα
- Ο Αϊνστάιν και η Εξίσωση Μάζας-Ενέργειας
- Μάζα, Ενέργεια και Βάρος στον Πραγματικό Κόσμο
Μία από τις μεγάλες καθοριστικές αρχές της φυσικής είναι ότι πολλές από τις σημαντικότερες ιδιότητές της ακολουθούν αδιαμφισβήτητα μια σημαντική αρχή: κάτω από εύκολα προσδιορισμένες συνθήκες, είναι διατηρούνται, που σημαίνει ότι το συνολικό ποσό αυτών των ποσοτήτων που περιέχονται στο σύστημα που έχετε επιλέξει ποτέ δεν αλλάζει.
Τέσσερις κοινές ποσότητες στη φυσική χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη νόμων διατήρησης που ισχύουν για αυτούς. Αυτά είναι ενέργεια, ορμή, στροφορμή και μάζα. Τα πρώτα τρία από αυτά είναι ποσοτικά συχνά ειδικά για τα προβλήματα της μηχανικής, αλλά η μάζα είναι καθολική και η ανακάλυψη - ή η διαδήλωση, όπως ήταν - αυτή η μάζα διατηρείται, επιβεβαιώνοντας κάποιες μακροχρόνιες υποψίες στον κόσμο της επιστήμης, ήταν ζωτικής σημασίας για να αποδείξει .
Ο νόμος της συντήρησης της μάζας
ο νόμου της διατήρησης της μάζας δηλώνει ότι σε ένα κλειστό σύστημα (συμπεριλαμβανομένου ολόκληρου του σύμπαντος), η μάζα δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί από χημικές ή φυσικές αλλαγές. Με άλλα λόγια, η συνολική μάζα διατηρείται πάντοτε. Το οδυνηρό μέγιστο "Τι έρχεται, πρέπει να βγει!" φαίνεται να είναι μια κυριολεκτική επιστημονική αλήθεια, καθώς δεν έχει αποδειχθεί ποτέ ότι απλώς εξαφανίζεται χωρίς φυσικό ίχνος.
Όλα τα συστατικά όλων των μορίων σε κάθε κύτταρο του δέρματος που έχετε ρίξει ποτέ, με το οξυγόνο, το υδρογόνο, το άζωτο, το θείο και τα άτομα άνθρακα, εξακολουθούν να υπάρχουν. Ακριβώς όπως δείχνει η μυθιστοριογραφία επιστημονικής φαντασίας Τα αρχεία X δηλώνει για την αλήθεια, όλη η μάζα που υπήρχε ποτέ "είναι εκεί έξω κάπου.'
Θα μπορούσε να ονομαστεί αντ 'αυτού «ο νόμος της συντήρησης της ύλης» επειδή, απουσία βαρύτητας, δεν υπάρχει τίποτα ιδιαίτερο στον κόσμο για ειδικά "μαζικά" αντικείμενα. Ακολουθεί περισσότερο η σημαντική αυτή διάκριση, καθώς η σχέση της είναι δύσκολο να υπερκεραστεί.
Ιστορία του νόμου περί συντήρησης μάζας
Η ανακάλυψη του νόμου της διατήρησης της μάζας έγινε το 1789 από τον Γάλλο επιστήμονα Antoine Lavoisier. άλλοι είχαν καταλήξει στην ιδέα πριν, αλλά ο Lavoisier ήταν ο πρώτος που το έδειξε.
Εκείνη τη στιγμή, μεγάλο μέρος της επικρατούσας πεποίθησης στη χημεία σχετικά με την ατομική θεωρία εξακολουθούσε να προέρχεται από τους αρχαίους Έλληνες, και χάρη σε πιο πρόσφατες ιδέες, θεωρήθηκε ότι κάτι μέσα στη φωτιά ("phlogiston") ήταν πράγματι μια ουσία. Αυτό, σύμφωνα με τους επιστήμονες, εξήγησε γιατί ένας σωρός από τέφρες είναι ελαφρύτερο από ό, τι καίγεται για να παράγει την τέφρα.
Lavoisier θερμαίνεται οξείδιο του υδραργύρου και σημείωσε ότι η ποσότητα του μειωμένου βάρους χημικού ήταν ίση με το βάρος του αερίου οξυγόνου που απελευθερώνεται στη χημική αντίδραση.
Πριν οι χημικοί κατανοήσουν τις μάζες των πραγμάτων που ήταν δύσκολο να εντοπιστούν, όπως ο υδρατμός και τα ιχνοστοιχεία, δεν μπορούσαν να δοκιμάσουν επαρκώς τις αρχές διατήρησης ουσίας, ακόμη και αν υποπτευόταν ότι τέτοιες νομοθεσίες λειτουργούσαν πράγματι.
Σε κάθε περίπτωση, αυτό οδήγησε τον Lavoisier να δηλώσει ότι η ύλη πρέπει να διατηρηθεί σε χημικές αντιδράσεις, δηλαδή η συνολική ποσότητα ύλης σε κάθε πλευρά μιας χημικής εξίσωσης είναι η ίδια. Αυτό σημαίνει ότι ο συνολικός αριθμός ατόμων (αλλά όχι κατ 'ανάγκη ο συνολικός αριθμός μορίων) στα αντιδραστήρια πρέπει να ισούται με την ποσότητα στα προϊόντα, ανεξάρτητα από τη φύση της χημικής μεταβολής.
Επισκόπηση της Διατήρησης της Μάζας
Μια δυσκολία που μπορεί να έχει ο κόσμος με το νόμο της διατήρησης της μάζας είναι ότι τα όρια των αισθήσεών σας καθιστούν ορισμένες πτυχές του νόμου λιγότερο διαισθητικές.
Για παράδειγμα, όταν τρώτε μια λίβρα τροφής και πιείτε ένα κιλό υγρού, μπορείτε να ζυγίζετε τα ίδια περίπου έξι ώρες αργότερα ακόμα κι αν δεν πάτε στο μπάνιο. Αυτό συμβαίνει εν μέρει επειδή οι ενώσεις άνθρακα στα τρόφιμα μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και εκπνέει σταδιακά στους (συνήθως αόρατους) ατμούς στην αναπνοή σας.
Στον πυρήνα της, ως έννοια της χημείας, ο νόμος της διατήρησης της μάζας είναι αναπόσπαστο μέρος της κατανόησης της φυσικής επιστήμης, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής. Για παράδειγμα, σε ένα πρόβλημα ορμής σχετικά με τη σύγκρουση, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η συνολική μάζα στο σύστημα δεν έχει αλλάξει από αυτό που ήταν πριν από τη σύγκρουση σε κάτι διαφορετικό μετά τη σύγκρουση, επειδή η μαζική ορμή και η ενέργεια διατηρούνται.
Τι άλλο "συντηρείται" στη φυσική επιστήμη;
ο δίκαιο της διατήρησης της ενέργειας δηλώνει ότι η συνολική ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος δεν αλλάζει ποτέ και αυτό μπορεί να εκφραστεί με διάφορους τρόπους. Ένα από αυτά είναι η ΚΕ (κινητική ενέργεια) + ΡΕ (δυνητική ενέργεια) + εσωτερική ενέργεια (IE) = μια σταθερά. Αυτός ο νόμος απορρέει από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής και διασφαλίζει ότι η ενέργεια, όπως η μάζα, δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί.
Ορμή (Μv) και στροφορμή (μεγάλο = mvr) διατηρούνται επίσης στη φυσική και οι σχετικοί νόμοι καθορίζουν σθεναρά μεγάλο μέρος της συμπεριφοράς των σωματιδίων στην κλασσική αναλυτική μηχανική.
Νόμος διατήρησης της μάζας: Παράδειγμα
Η θέρμανση του ανθρακικού ασβεστίου ή CaCO3, παράγει μια ένωση ασβεστίου ενώ απελευθερώνει ένα μυστήριο αέριο. Ας πούμε ότι έχετε 1 kg (1.000 g) CaCO3, και ανακαλύπτετε ότι όταν θερμαίνεται αυτό, παραμένουν 560 γραμμάρια της ένωσης ασβεστίου.
Ποια είναι η πιθανή σύνθεση της υπόλοιπης χημικής ουσίας ασβεστίου και ποια είναι η ένωση που απελευθερώθηκε ως αέριο;
Πρώτον, δεδομένου ότι πρόκειται ουσιαστικά για ένα πρόβλημα χημείας, θα πρέπει να ανατρέξετε σε έναν περιοδικό πίνακα στοιχείων (βλ. Πόροι για ένα παράδειγμα).
Σας λένε ότι έχετε αρχικά 1.000 g CaCO3. Από τις μοριακές μάζες των συστατικών ατόμων στον πίνακα, βλέπετε ότι Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol και Ο = 16 g / mol, καθιστώντας τη μοριακή μάζα ανθρακικού ασβεστίου συνολικά 100 g / mol (θυμηθείτε ότι υπάρχουν τρία άτομα οξυγόνου στο CaCO3). Ωστόσο, έχετε 1.000 g CaCO3, που είναι 10 γραμμομόρια της ουσίας.
Σε αυτό το παράδειγμα, το προϊόν ασβεστίου έχει 10 moles ατόμων Ca, επειδή κάθε άτομο Ca είναι 40 g / mol, έχετε συνολικά 400 g Ca ότι μπορείτε να υποθέσετε με ασφάλεια ότι έφυγε μετά το CaCO3 θερμαίνεται. Για το παράδειγμα αυτό, τα υπόλοιπα 160 g (560-400) της ένωσης μετά τη θέρμανση αντιπροσωπεύουν 10 moles ατόμων οξυγόνου. Αυτό πρέπει να αφήνει 440 g μάζας ως απελευθερωμένο αέριο.
Η ισορροπημένη εξίσωση πρέπει να έχει τη μορφή
10 CaCO3 → 10 CaO +;
και το "?" το αέριο πρέπει να περιέχει άνθρακα και οξυγόνο σε κάποιο συνδυασμό. πρέπει να έχει 20 γραμμομόρια ατόμων οξυγόνου - έχετε ήδη 10 γραμμομόρια ατόμων οξυγόνου στα αριστερά του σημείου + - και συνεπώς 10 γραμμομόρια ατόμων άνθρακα. Ο "?" είναι CO2. (Στον σημερινό κόσμο της επιστήμης, έχετε ακούσει για το διοξείδιο του άνθρακα, κάνοντας αυτό το πρόβλημα κάτι ασήμαντο, αλλά σκεφτείτε μια εποχή που ακόμη και οι επιστήμονες δεν ήξεραν τι ήταν στον αέρα.
Ο Αϊνστάιν και η Εξίσωση Μάζας-Ενέργειας
Οι σπουδαστές φυσικής μπορεί να μπερδευτούν από το διάσημο διατήρηση της εξίσωσης μαζικής ενέργειας E = mc2 που υποτίθεται από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν στις αρχές της δεκαετίας του 1900, αναρωτιέται αν αντέχει τον νόμο της διατήρησης της μάζας (ή της ενέργειας), αφού φαίνεται να υποδηλώνει ότι η μάζα μπορεί να μετατραπεί σε ενέργεια και αντίστροφα.
Ούτε ο νόμος παραβιάζεται. Αντίθετα, ο νόμος επιβεβαιώνει ότι η μάζα και η ενέργεια είναι στην πραγματικότητα διαφορετικές μορφές του ίδιου πράγματος.
Είναι κάτι σαν να τα μετράτε σε διαφορετικές μονάδες δεδομένων της κατάστασης.
Μάζα, Ενέργεια και Βάρος στον Πραγματικό Κόσμο
Ίσως δεν μπορείτε να βοηθήσετε αλλά ασυνείδητα να εξισώνετε τη μάζα με το βάρος για τους λόγους που περιγράφονται παραπάνω - η μάζα είναι μόνο το βάρος όταν η βαρύτητα είναι στο μείγμα, αλλά όταν στην εμπειρία σας είναι η βαρύτητα δεν παρόν (όταν είστε στη Γη και όχι σε θάλαμο με μηδενική βαρύτητα);
Επομένως, είναι δύσκολο να συλλάβουμε την ύλη ως απλή ουσία, όπως και την ίδια την ενέργεια, που υπακούει σε ορισμένους θεμελιώδεις νόμους και αρχές.
Επίσης, όπως η ενέργεια μπορεί να αλλάξει μορφές μεταξύ κινητικών, δυναμικών, ηλεκτρικών, θερμικών και άλλων τύπων, η ύλη κάνει το ίδιο πράγμα, αν και οι διάφορες μορφές της ύλης καλούνται κράτη μέλη: στερεό, αέριο, υγρό και πλάσμα.
Εάν μπορείτε να φιλτράρετε πώς οι δικές σας αισθήσεις αντιλαμβάνονται τις διαφορές σε αυτές τις ποσότητες, ίσως να είστε σε θέση να εκτιμήσετε ότι υπάρχουν λίγες πραγματικές διαφορές στη φυσική.
Το να είσαι σε θέση να συνδέσεις σημαντικές έννοιες μαζί στις "σκληρές επιστήμες" μπορεί να φαίνεται δύσκολο στην αρχή, αλλά είναι πάντα συναρπαστικό και ανταμείβοντας στο τέλος.