Indhold
- Loven om bevarelse af masse
- Massebeskyttelseslovens historie
- Oversigt over bevarelse af masse
- Hvad andet er "konserveret" i fysisk videnskab?
- Lov om bevarelse af masse: eksempel
- Einstein og masse-energi ligningen
- Masse, energi og vægt i den virkelige verden
Et af de mest definerende fysiske principper er, at mange af dets vigtigste egenskaber uforvarende overholder et vigtigt princip: Under let specificerede betingelser er de konserverede, hvilket betyder at den samlede mængde af disse mængder indeholdt i det valgte system aldrig ændres.
Fire almindelige mængder i fysik er kendetegnet ved at have bevaringslove, der gælder for dem. Disse er energi, momentum, vinkelmoment og masse. De første tre af disse er mængder, der ofte er specifikke for mekaniske problemer, men masse er universel, og opdagelsen - eller demonstration som sådan - at masse er bevaret, mens man bekræfter nogle langvarige mistanker i videnskabsverdenen, var afgørende for at bevise .
Loven om bevarelse af masse
Det lov om bevarelse af masse angiver, at i a lukket system (inklusive hele universet), kan masse hverken oprettes eller ødelægges af kemiske eller fysiske ændringer. Med andre ord, total masse bevares altid. Den frække maksim "Hvad der går ind, skal komme ud!" ser ud til at være en bogstavelig videnskabelig truisme, da intet nogensinde har vist sig at forsvinde uden fysisk spor.
Alle komponenterne i alle molekylerne i enhver hudcelle, du nogensinde har kastet, med deres ilt, brint, nitrogen, svovl og carbonatomer findes stadig. Ligesom mysteriet science fiction viser X-filerne erklærer om sandheden, al masse der nogensinde var "er derude et eller andet sted.'
Det kunne i stedet kaldes "loven om bevarelse af materie", fordi der ikke findes nogen tyngdekraft noget specielt i verden ved specielt "massive" genstande; mere om denne vigtige sondring følger, da dens relevans er vanskelig at overdrive.
Massebeskyttelseslovens historie
Opdagelsen af loven om bevarelse af masse blev foretaget i 1789 af den franske forsker Antoine Lavoisier; andre var kommet med ideen før, men Lavoisier var først til at bevise den.
På det tidspunkt kom meget af den herskende tro på kemi om atomteori stadig fra de gamle grækere, og takket være nyere ideer troede man, at noget inden ild ("phlogiston") var faktisk et stof. Dette forklarede forskere, hvorfor en bunke med aske er lettere end hvad der blev brændt for at fremstille asken.
Lavoisier opvarmet kviksølvoxid og bemærkede, at den mængde, hvor kemikaliens vægt faldt, var lig med vægten af den oxygengas, der blev frigivet i den kemiske reaktion.
Inden kemikere kunne redegøre for masserne af ting, der var vanskelige at spore, såsom vanddamp og sporingsgasser, kunne de ikke tilstrækkeligt afprøve nogen sagsbeskyttelsesprincipper, selvom de mistænkte, at sådanne love faktisk var i drift.
Under alle omstændigheder førte dette til, at Lavoisier sagde, at stof skal konserveres i kemiske reaktioner, hvilket betyder, at den samlede mængde stof på hver side af en kemisk ligning er den samme. Dette betyder, at det samlede antal atomer (men ikke nødvendigvis det samlede antal molekyler) i reaktanterne skal svare til mængden i produkterne, uanset arten af den kemiske ændring.
Oversigt over bevarelse af masse
En vanskelighed, mennesker kan have med loven om bevarelse af masse, er, at grænser for dine sanser gør nogle aspekter af loven mindre intuitive.
For eksempel, når du spiser et pund mad og drikker et pund væske, vejer du måske den samme seks eller deromkring timer senere, selvom du ikke går på badeværelset. Dette skyldes delvis, at kulstofforbindelser i fødevarer omdannes til kuldioxid (CO2) og udåndes gradvist i den (normalt usynlige) damp i din åndedrag.
Som kernekoncept er loven om bevarelse af masse integreret i forståelsen af fysisk videnskab, herunder fysik. I et momentumproblem ved kollision kan vi for eksempel antage, at den samlede masse i systemet ikke er ændret fra, hvad det var før kollisionen til noget andet efter kollisionen, fordi masse - som momentum og energi - er bevaret.
Hvad andet er "konserveret" i fysisk videnskab?
Det lov om bevarelse af energi siger, at den samlede energi fra et isoleret system aldrig ændrer sig, og at det kan udtrykkes på flere måder. En af disse er KE (kinetisk energi) + PE (potentiel energi) + intern energi (IE) = en konstant. Denne lov følger af den første lov om termodynamik og sikrer, at energi, ligesom masse, ikke kan skabes eller ødelægges.
momentum (mv) og vinkelmoment (L = mvr) er også bevaret i fysik, og de relevante love bestemmer meget af partiklernes opførsel i klassisk analytisk mekanik.
Lov om bevarelse af masse: eksempel
Opvarmning af calciumcarbonat eller CaCO3, producerer en calciumforbindelse, mens den frigiver en mystisk gas. Lad os sige, at du har 1 kg (1.000 g) CaCO3, og du opdager, at når dette opvarmes, forbliver 560 gram af calciumforbindelsen.
Hvad er den sandsynlige sammensætning af det resterende calciumkemiske stof, og hvad er forbindelsen, der blev frigivet som gas?
For det første, da dette i det væsentlige er et kemiproblem, skal du henvise til en periodisk tabel med elementer (se Ressourcer for et eksempel).
Du får at vide, at du har de første 1.000 g CaCO3. Fra molekylmasserne af de konstaterende atomer i tabellen ser du, at Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol og O = 16 g / mol, hvilket gør molekylmassen af calciumcarbonat som helhed 100 g / mol (husk, at der er tre oxygenatomer i CaCO3). Du har dog 1.000 g CaCO3, der er 10 mol af stoffet.
I dette eksempel har calciumproduktet 10 mol Ca-atomer; fordi hvert Ca-atom er 40 g / mol, har du 400 g i alt Ca, som du med sikkerhed kan antage, at der var tilbage efter CaCO3 blev opvarmet. For dette eksempel repræsenterer de resterende 160 g (560 - 400) eftervarmeforbindelse 10 mol oxygenatomer. Dette skal efterlade 440 g masse som en frigivet gas.
Den afbalancerede ligning skal have formen
10 CaCO3 → 10 CaO +?
og "?" gas skal indeholde kulstof og ilt i en eller anden kombination; det skal have 20 mol oxygenatomer - du har allerede 10 mol oxygenatomer til venstre for + -tegnet - og derfor 10 mol carbonatomer. Det "?" er CO2. (I nutidens videnskabsverden har du hørt om kuldioxid, hvilket gør dette problem til noget af en triviel øvelse. Men tænk på et tidspunkt, hvor selv forskere ikke engang vidste, hvad der var i "luft.")
Einstein og masse-energi ligningen
Fysikstuderende kan blive forvirret af den berømte bevarelse af masse-energi ligning E = mc2 postuleret af Albert Einstein i begyndelsen af 1900-tallet og undrede sig over, om den trodser loven om bevarelse af masse (eller energi), da det ser ud til at antyde, at masse kan konverteres til energi og vice versa.
Ingen af lovene overtrædes; i stedet bekræfter loven, at masse og energi faktisk er forskellige former for den samme ting.
Det er ligesom at måle dem i forskellige enheder i lyset af situationen.
Masse, energi og vægt i den virkelige verden
Du kan måske ikke hjælpe, men ubevidst sidestille masse med vægt af de ovenfor beskrevne grunde - masse er kun vægt, når tyngdekraften er i blandingen, men når i din oplevelse er tyngdekraften ikke til stede (når du er på Jorden og ikke i et tyngdekraftkammer)?
Det er så svært at forestille sig materien som bare ting, som energi i sig selv, der adlyder visse grundlæggende love og principper.
Ligesom energi kan ændre former mellem kinetisk, potentiel, elektrisk, termisk og andre typer, gør materie det samme, selvom de forskellige former for stof kaldes stater: fast stof, gas, væske og plasma.
Hvis du kan filtrere, hvordan dine egne sanser opfatter forskellene i disse mængder, kan du muligvis forstå, at der er få faktiske forskelle i fysikken.
At være i stand til at binde vigtige koncepter sammen i "hårde videnskaber" kan virke vanskeligt i starten, men det er altid spændende og givende i sidste ende.