Innhold
- Loven om bevaring av masse
- Massebevaringslovens historie
- Oversikt over bevaring av masse
- Hva annet er "bevart" i fysikkvitenskap?
- Lov om bevaring av masse: eksempel
- Einstein og Massenergi-ligningen
- Masse, energi og vekt i den virkelige verden
Et av de store definerende prinsippene for fysikk er at mange av dens viktigste egenskaper uovertruffen overholder et viktig prinsipp: Under lett spesifiserte forhold er de konservert, noe som betyr at den totale mengden av disse mengdene som finnes i systemet du valgte, aldri endres.
Fire vanlige mengder i fysikk er preget av å ha bevaringslover som gjelder dem. Disse er energi, momentum, kantet fart og masse. De tre første av disse er mengder som ofte er spesifikke for mekaniske problemer, men masse er universell, og oppdagelsen - eller demonstrasjon, som den var - at masse er bevart, mens den bekrefter noen langvarige mistanker i vitenskapens verden, var avgjørende for å bevise .
Loven om bevaring av masse
De lov om bevaring av masse uttaler at i a lukket system (inkludert hele universet), kan masse hverken skapes eller ødelegges av kjemiske eller fysiske forandringer. Med andre ord, total masse er alltid bevart. Den frekke maksen "Det som går inn, må komme ut!" ser ut til å være en bokstavelig vitenskapelig truisme, siden ingenting noen gang har vist seg å forsvinne uten fysisk spor.
Alle komponentene i alle molekylene i hver hudcelle du noensinne har kastet, med oksygen, hydrogen, nitrogen, svovel og karbonatomer, eksisterer fortsatt. Akkurat som mysteriet science fiction viser X-filene erklærer om sannheten, all masse som noen gang var "er der ute et sted.'
Det kan i stedet kalles "loven om bevaring av materie" fordi, fraværende tyngdekraft, det ikke er noe spesielt i verden med spesielt "massive" gjenstander; mer om dette viktige skillet følger, da relevansen er vanskelig å overdrive.
Massebevaringslovens historie
Oppdagelsen av loven om bevaring av masse ble gjort i 1789 av den franske forskeren Antoine Lavoisier; andre hadde kommet på ideen før, men Lavoisier skulle først bevise den.
På den tiden kom fortsatt mye av den rådende troen på kjemi om atomteori fra de gamle grekerne, og takket være nyere ideer trodde man at noe innen ild ("phlogiston") var faktisk et stoff. Dette forklarte forskere hvorfor en bunke med aske er lettere enn hva som ble brent for å produsere asken.
Lavoisier varmet opp kvikksyreoksid og bemerket at mengden kjemikaliervekten reduserte var lik vekten av oksygengassen frigitt i den kjemiske reaksjonen.
Før kjemikere kunne redegjøre for massene av ting som var vanskelig å spore, for eksempel vanndamp og sporingsgasser, kunne de ikke teste tilstrekkelig prinsipper for bevaring av saker selv om de mistenkte at slike lover faktisk var i drift.
I alle fall førte dette til at Lavoisier oppga at materie må bevares i kjemiske reaksjoner, noe som betyr at den totale mengden materie på hver side av en kjemisk ligning er den samme. Dette betyr at det totale antallet atomer (men ikke nødvendigvis det totale antall molekyler) i reaktantene må være lik mengden i produktene, uavhengig av arten av den kjemiske endringen.
Oversikt over bevaring av masse
En vanskelighet folk kan ha med loven om bevaring av masse er at grensene for sansene dine gjør noen aspekter av loven mindre intuitive.
Når du for eksempel spiser et halvt kilo mat og drikker et halvt kilo væske, kan du veie de samme seks timene senere, selv om du ikke går på do. Dette er delvis fordi karbonforbindelser i mat blir omdannet til karbondioksid (CO2) og pustes gradvis ut i den (vanligvis usynlige) dampen i pusten.
I kjernen, som et kjemibegrep, er loven om bevaring av masse en integrert del av forståelsen av fysikk, inkludert fysikk. I et momentumproblem om kollisjon kan vi for eksempel anta at den totale massen i systemet ikke har endret seg fra hva det var før kollisjonen til noe annet etter kollisjonen fordi masse - som fart og energi - er bevart.
Hva annet er "bevart" i fysikkvitenskap?
De lov om bevaring av energi uttaler at total energi i et isolert system aldri endres, og det kan uttrykkes på flere måter. En av disse er KE (kinetisk energi) + PE (potensiell energi) + indre energi (IE) = en konstant. Denne loven følger av termodynamikkens første lov og sikrer at energi, som masse, ikke kan skapes eller ødelegges.
momentum (mv) og kantet fart (L = mvr) er også bevart i fysikk, og de relevante lovene bestemmer sterkt mye av oppførselen til partikler i klassisk analytisk mekanikk.
Lov om bevaring av masse: eksempel
Oppvarmingen av kalsiumkarbonat eller CaCO3, produserer en kalsiumforbindelse mens den frigjør en mystisk gass. La oss si at du har 1 kg (1000 g) CaCO3, og du oppdager at når dette varmes opp, gjenstår 560 gram av kalsiumforbindelsen.
Hva er den sannsynlige sammensetningen av det gjenværende kalsiumkjemiske stoffet, og hva er forbindelsen som ble frigjort som gass?
For det første, siden dette egentlig er et kjemiproblem, må du henvise til en periodisk oversikt over elementer (se ressurser for et eksempel).
Du blir fortalt at du har de første 1000 g CaCO3. Fra molekylmassene til bestanddelene i tabellen ser du at Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol og O = 16 g / mol, noe som gjør molekylmassen til kalsiumkarbonat som helhet 100 g / mol (husk at det er tre oksygenatomer i CaCO3). Imidlertid har du 1000 g CaCO3, som er 10 mol av stoffet.
I dette eksemplet har kalsiumproduktet 10 mol Ca-atomer; fordi hvert Ca-atom er 40 g / mol, har du 400 g totalt Ca som du trygt kan anta at var igjen etter CaCO3 ble varmet opp. For dette eksempelet representerer de gjenværende 160 g (560 - 400) ettervarmeforbindelse 10 mol oksygenatomer. Dette må etterlate 440 g masse som en frigjort gass.
Den balanserte ligningen må ha formen
10 CaCO3 → 10 CaO +?
og "?" gass må inneholde karbon og oksygen i en eller annen kombinasjon; den må ha 20 mol oksygenatomer - du har allerede 10 mol oksygenatomer til venstre for + -tegnet - og derfor 10 mol karbonatomer. "?" er CO2. (I dagens vitenskapsverden har du hørt om karbondioksid, noe som gjør dette problemet til noe av en triviell øvelse. Men tenk på en tid da selv ikke forskere visste hva som var i "luften.")
Einstein og Massenergi-ligningen
Fysikkstudenter kan bli forvirret av den berømte bevaring av masse-energi ligning E = mc2 postulert av Albert Einstein på begynnelsen av 1900-tallet, og lurte på om den trosser loven om bevaring av masse (eller energi), siden den ser ut til å antyde at masse kan konverteres til energi og omvendt.
Ingen av lovene blir brutt; i stedet bekrefter loven at masse og energi faktisk er forskjellige former for samme ting.
Det er liksom å måle dem i forskjellige enheter gitt situasjonen.
Masse, energi og vekt i den virkelige verden
Du kan kanskje ikke unngå å ubevisst likestille masse med vekt av årsakene beskrevet ovenfor - masse er bare vekt når tyngdekraften er i blandingen, men når i din erfaring er tyngdekraften ikke til stede (når du er på jorden og ikke i et tyngdekraftskammer)?
Det er da vanskelig å tenke seg materie som bare ting, som energi i seg selv, som adlyder visse grunnleggende lover og prinsipper.
På samme måte som energi kan endre former mellom kinetiske, potensielle, elektriske, termiske og andre typer, gjør materie det samme, selv om de forskjellige materieformene kalles stater: fast stoff, gass, væske og plasma.
Hvis du kan filtrere hvordan dine egne sanser oppfatter forskjellene i disse mengdene, kan du kanskje forstå at det er få faktiske forskjeller i fysikken.
Å kunne knytte store konsepter sammen i "harde vitenskaper" kan virke vanskelig i begynnelsen, men det er alltid spennende og givende til slutt.