Tartalom
- A tömeg védelmének törvénye
- A tömegvédelmi törvény története
- A tömegmegőrzés áttekintése
- Milyen más „konzerválódott” a fizikatudományban?
- A tömegmegőrzési törvény: Példa
- Einstein és a tömeg-energia egyenlet
- Tömeg, energia és súly a valós világban
A fizika egyik legmeghatározóbb alapelve az, hogy annak legfontosabb tulajdonságai sokan megrázkódhatatlanul engedelmeskednek egy fontos elvnek: Könnyen meghatározott körülmények között konzervált, ami azt jelenti, hogy az Ön által választott rendszerben található mennyiségek teljes mennyisége soha nem változik.
A fizikában négy általános mennyiséget az jellemzi, hogy megőrzési törvények vonatkoznak rájuk. Ezek energia, lendület, perdület és tömeg. Ezek közül az első három olyan mennyiség, amely gyakran a mechanikai problémákra jellemző, de a tömeg univerzális, és a felfedezés - vagy akár demonstráció - a tömeg megőrződött, miközben megerősítette a tudományos világban hosszú ideje fennálló gyanúkat, létfontosságú volt bizonyítani. .
A tömeg védelmének törvénye
A tömegmegőrzési törvény kijelenti, hogy a zárt rendszer (beleértve az egész univerzumot) a tömeget sem kémiai, sem fizikai változások nem tudják létrehozni, sem pusztítani. Más szavakkal, a teljes tömeg mindig megőrződik. A pimasz "maximának, ami bejön, ki kell jönnie!" úgy tűnik, hogy egy szó szerinti tudományos truizmus, mivel soha nem bizonyítottak semmit, hogy egyszerűen eltűnik fizikai nyom nélkül.
A bőr sejtjeiben lévő összes molekula összes alkotóeleme, oxigén-, hidrogén-, nitrogén-, kén- és szénatomjával, még mindig létezik. Csakúgy, mint a rejtély tudományos fantasztikus műsor Az X-fájlok kijelenti az igazságot, hogy minden tömeg, ami valaha volt, "ott van valahol.'
Ehelyett „anyagmegőrzési törvénynek” lehetne nevezni, mivel nincs gravitáció, és a világon nincs semmi különös a különösen „hatalmas” tárgyakról; erről a fontos megkülönböztetésről bővebben következik, mivel relevanciáját nehéz túlbecsülni.
A tömegvédelmi törvény története
A tömegmegőrzési törvény 1789-ben fedezte fel Antoine Lavoisier francia tudós; mások már korábban felmerültek az ötlettel, de Lavoisier volt az, aki ezt bizonyította először.
Abban az időben az atomaelmélet iránti kémiai vallás nagy része továbbra is az ókori görögökből származott, és a legújabb elképzeléseknek köszönhetően azt hitték, hogy valami tűzön van ("flogiszton") valójában anyag volt. Ez a tudósok megmagyarázta, hogy miért könnyebb a hamuhalom, mint amit a hamu előállításához elégettek.
Lavoisier fűtött higany-oxid és megjegyezte, hogy a vegyi anyagok tömegének csökkenése megegyezik a kémiai reakció során felszabaduló oxigéngáz tömegével.
Mielőtt a vegyészek be tudták számolni a nehéz nyomon követhető dolgok tömegeiről, mint például a vízgőz és a nyomgáz, nem tudtak megfelelő módon megvizsgálni az anyagmegőrzési alapelveket, még akkor sem, ha azt gyanították, hogy az ilyen törvények valóban működnek.
Mindenesetre ez arra késztette Lavoisier-t, hogy az anyagot meg kell őrizni a kémiai reakciók során, azaz az anyag teljes mennyisége a kémiai egyenlet mindkét oldalán azonos. Ez azt jelenti, hogy a reagensekben az atomok teljes számának (de nem feltétlenül az összes molekula számának) meg kell egyeznie a termékekben levő mennyiséggel, a kémiai változás jellegétől függetlenül.
A tömegmegőrzés áttekintése
Az egyik nehézség, amelyet az emberek a tömegmegőrzési törvénynek szembesülhetnek, az, hogy érzékei korlátainak köszönhetően a törvény egyes szempontjai kevésbé intuitívak.
Például, ha egy kiló ételt eszik és egy kilót folyadékot fogyaszt, akkor körülbelül hat órával később mérlegelheti ugyanazt, még akkor is, ha nem megy a fürdőszobába. Ez részben azért van, mert az élelmiszerekben lévő szénvegyületek szén-dioxiddá (CO2) és fokozatosan kilélegzik a lélegzetében lévő (általában láthatatlan) gőzökben.
A kémia fogalmának lényege, hogy a tömegmegőrzési törvény szerves részét képezi a fizika, beleértve a fizikát is. Például az ütközéssel kapcsolatos impulzusprobléma esetén feltételezhetjük, hogy a rendszerben a teljes tömeg nem változott az ütközés előttiétől az ütközés utáni valami másig, mivel a tömeg - mint a lendület és az energia - megmarad.
Milyen más „konzerválódott” a fizikatudományban?
A energiamegtakarítási törvény kijelenti, hogy az izolált rendszer teljes energiája soha nem változik, és ez többféle módon kifejezhető. Ezek egyike a KE (kinetikus energia) + PE (potenciális energia) + belső energia (IE) = állandó. Ez a törvény a termodinamika első törvényéből következik, és biztosítja, hogy az energiát, mint például a tömeget, nem lehet létrehozni vagy megsemmisíteni.
Lendület (mv) és perdület (L = mvr) a fizikában is megőrződnek, és a vonatkozó törvények erősen meghatározzák a részecskék viselkedésének nagy részét a klasszikus analitikai mechanikában.
A tömegmegőrzési törvény: Példa
Kalcium-karbonát vagy CaCO melegítése3, kalciumvegyületet termel, miközben titokzatos gázt szabadít fel. Tegyük fel, hogy van 1 kg (1000 g) CaCO3, és rájössz, hogy hevítéskor 560 gramm kalciumvegyület marad.
Mi a fennmaradó kalcium-kémiai anyag összetétele és mi az a vegyület, amely gázként felszabadult?
Először, mivel ez alapvetően kémiai probléma, akkor egy periodikus elemtáblára kell hivatkoznia (lásd a forrásokat egy példában).
Azt mondják nektek, hogy a kezdeti 1000 g CaCO-t tartalmaz3. A táblázatban szereplő alkotóelemek atomjának molekulatömegéből látszik, hogy Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol és O = 16 g / mol, így a kalcium-karbonát teljes molekulatömege 100 g / mol. mol (ne feledje, hogy a CaCO-ban három oxigénatom van3). Van azonban 1000 g CaCO3, amely 10 mol anyag.
Ebben a példában a kalciumtermék 10 mol Ca-atomot tartalmaz; mivel minden Ca-atom 40 g / mol, akkor összesen 400 g Ca-értéke van, amelyről biztonságosan feltételezhető, hogy a CaCO után maradt3 melegítettük. Ebben a példában a fennmaradó 160 g (560–400) utómelegítő vegyület 10 mol oxigénatomot jelent. Ennek 440 g tömegnek kell maradnia felszabadult gázként.
A kiegyensúlyozott egyenletnek formának kell lennie
10 CaCO3 → 10 CaO +?
és a "?" a gáznak tartalmaznia kell szén és oxigén valamilyen kombinációját; 20 mol oxigénatommal kell rendelkeznie - már 10 mól oxigénatom van a + jeltől balra - és ezért 10 mol szénatomot tartalmaz. A "?" CO2. (A mai tudományos világban már hallottál a szén-dioxidról, és ez a probléma triviális gyakorlattá vált. De gondolj arra az időre, amikor a tudósok még nem is tudták, mi van a levegőben.)
Einstein és a tömeg-energia egyenlet
A fizika hallgatóit összezavarhatja a híres a tömeg-energia egyenlet megőrzése E = mc2 az Albert Einstein által az 1900-as évek elején posztulált, azon tűnődve, vajon meghamisítja-e a tömeg (vagy energia) megőrzésének törvényét, mivel úgy tűnik, hogy a tömeg energiává vált és fordítva.
Egyik törvény sem sérül; ehelyett a törvény megerősíti, hogy a tömeg és az energia valójában ugyanazon dolog különféle formái.
Ez olyan, mint a különféle egységekben történő mérés, figyelembe véve a helyzetet.
Tömeg, energia és súly a valós világban
Talán nem tud segíteni, de öntudatlanul egyenlíteni a tömeget a tömeggel a fentebb leírt okok miatt - a tömeg csak akkor jelenik meg, ha a gravitáció a keverékben van, de ha tapasztalata szerint a gravitáció nem jelen van (amikor a Földön vagy, és nem egy zéró gravitációs kamrában)?
Nehéz tehát az anyagot olyan dolgokként értelmezni, mint önmagában az energia, amelyek bizonyos alapvető törvényeket és alapelveket betartanak.
Ugyanígy, ahogy az energia megváltoztathatja a kinetikai, a potenciális, az elektromos, a termikus és más típusú típusokat, az anyag ugyanazt csinálja, bár az anyag különböző formáit Államok: szilárd, gáz, folyékony és plazma.
Ha kiszűrheti, hogy saját érzékszervei hogyan érzékelik a különbségeket ezekben a mennyiségekben, akkor felismerheti, hogy a fizikában kevés tényleges különbség van.
A fő fogalmak összekapcsolása a „kemény tudományokban” először nehéznek tűnhet, ám végül mindig izgalmas és kifizetődő.