Obsah
- Zákon o zachovaní omše
- História zákona o hromadnej ochrane
- Prehľad zachovania omše
- Čo iného je „konzervované“ vo fyzike?
- Zákon o zachovaní omše: Príklad
- Einstein a rovnica hromadnej energie
- Hmotnosť, energia a hmotnosť v reálnom svete
Jedným z veľkých definujúcich princípov fyziky je to, že mnohé z jeho najdôležitejších vlastností neúnavne dodržiavajú dôležitý princíp: Za ľahko špecifikovaných podmienok sú konzervované, čo znamená, že celkové množstvo týchto množstiev obsiahnutých v systéme, ktorý ste si vybrali, sa nikdy nezmení.
Štyri bežné množstvá vo fyzike sa vyznačujú zákonmi o ochrane, ktoré sa na ne vzťahujú. To sú energie, spád, moment hybnosti a hmota, Prvé tri z nich sú často špecifické pre mechanické problémy, ale masa je univerzálna a objav - alebo demonštrácia, ako to bolo - je masa zachovaná, zatiaľ čo potvrdzovanie dlhotrvajúcich podozrení vo vedeckom svete bolo nevyhnutné dokázať ,
Zákon o zachovaní omše
zákon zachovania hmotnosti uvádza, že v a uzavretý systém (vrátane celého vesmíru), hmota nemôže byť vytvorená ani zničená chemickými alebo fyzikálnymi zmenami. Inými slovami, celková hmotnosť je vždy zachovaná, Drzé maximum „Čo sa deje, musí vyjsť!“ Zdá sa, že ide o doslovný vedecký pravdivosť, pretože sa ukázalo, že nič nezmizlo bez fyzickej stopy.
Všetky zložky všetkých molekúl v každej kožnej bunke, ktorú ste kedy preliali, spolu s atómami kyslíka, vodíka, dusíka, síry a uhlíka stále existujú. Presne tak, ako to ukazuje tajomná sci-fi Súbory X vyhlasuje o pravde, všetka omša, ktorá kedy bola "je tam." niekam.'
Namiesto toho by sa dalo nazvať „zákon zachovania hmoty“, pretože vzhľadom na neexistenciu gravitácie na svete nie je nič špeciálne o „masívnych“ objektoch; viac o tomto dôležitom rozlíšení vyplýva, pretože jeho význam je ťažké preceňovať.
História zákona o hromadnej ochrane
Objav zákona o zachovaní omše urobil v roku 1789 francúzsky vedec Antoine Lavoisier; iní prišli s touto myšlienkou predtým, ale Lavoisier bol prvý, kto to dokázal.
V tom čase prevažná viera v chémiu o atómovej teórii stále pochádzala od starovekých Grékov a vďaka najnovším nápadom sa myslelo, že niečo v ohni (“phlogiston") bola v skutočnosti látka. Vedci to zdôvodnili, vysvetlili, prečo je hromada popola ľahšia ako všetko, čo bolo spálené pri výrobe popola.
Lavoisier vyhrievaný oxid ortuťnatý a poznamenali, že množstvo chemickej hmotnosti, ktoré sa znížilo, sa rovnalo hmotnosti plynného kyslíka uvoľneného pri chemickej reakcii.
Skôr ako mohli chemici zodpovedať za množstvo vecí, ktoré bolo ťažké sledovať, ako sú napríklad vodná para a stopové plyny, nemohli primerane otestovať žiadne zásady na zachovanie hmoty, aj keď sa domnievali, že takéto zákony boli skutočne v prevádzke.
V každom prípade to viedlo Lavoisiera k tomu, že v chemických reakciách sa musí zachovať hmota, čo znamená, že celkové množstvo látky na každej strane chemickej rovnice je rovnaké. To znamená, že celkový počet atómov (ale nie nevyhnutne celkový počet molekúl) v reaktantoch sa musí rovnať množstvu v produktoch bez ohľadu na povahu chemickej zmeny.
Prehľad zachovania omše
Jedným z problémov, ktoré môžu mať ľudia pri zachovávaní omše, je to, že hranice vašich zmyslov robia niektoré aspekty zákona menej intuitívnymi.
Napríklad, keď budete jesť kila jedla a piť kôš tekutiny, môžete rovnakú hmotnosť približne o šesť hodín neskôr zvážiť, aj keď nechodíte do kúpeľne. Je to čiastočne preto, že zlúčeniny uhlíka v potravinách sa premieňajú na oxid uhličitý (CO2) a postupne sa vydýchne v (zvyčajne neviditeľnej) pare vo vašom dychu.
Zákon o zachovaní hmoty je ako koncepcia chémie neoddeliteľnou súčasťou pochopenia fyzikálnej vedy vrátane fyziky. Napríklad v prípade problému hybnosti kolízie môžeme predpokladať, že celková hmotnosť v systéme sa nezmenila z toho, čo bolo pred kolíziou, na niečo iné po kolízii, pretože hmota - ako hybnosť a energia - je zachovaná.
Čo iného je „konzervované“ vo fyzike?
zákon o úspore energie uvádza, že celková energia izolovaného systému sa nikdy nemení, a to sa dá vyjadriť niekoľkými spôsobmi. Jedným z nich je KE (kinetická energia) + PE (potenciálna energia) + vnútorná energia (IE) = konštanta. Tento zákon vyplýva z prvého zákona o termodynamike a zaručuje, že energia, podobne ako masa, sa nemôže vytvárať ani ničiť.
Spád (mproti) a moment hybnosti (L = mvr) sú tiež zachované vo fyzike a príslušné zákony silne určujú väčšinu správania častíc v klasickej analytickej mechanike.
Zákon o zachovaní omše: Príklad
Zahrievanie uhličitanu vápenatého alebo CaCO3, produkuje zlúčeninu vápnika a zároveň uvoľňuje záhadný plyn. Povedzme, že máte 1 kg (1 000 g) CaCO3a zistíte, že po zahriatí zostáva 560 gramov zlúčeniny vápnika.
Aké je pravdepodobné zloženie zostávajúcej chemickej látky vápnika a aká je zlúčenina, ktorá sa uvoľnila ako plyn?
Po prvé, keďže ide v podstate o problém chémie, musíte sa odvolávať na periodickú tabuľku prvkov (príklad pozri v časti Zdroje).
Hovorí sa, že máte počiatočných 1 000 g CaCO3, Z molekulových hmotností atómov v tabuľke vidíte, že Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol a O = 16 g / mol, takže molekulová hmotnosť uhličitanu vápenatého ako celku 100 g / mol (nezabudnite, že v CaCO sú tri atómy kyslíka3). Máte však 1 000 g CaCO3, čo je 10 molov látky.
V tomto príklade má vápnikový produkt 10 mólov atómov Ca; pretože každý atóm Ca je 40 g / mol, máte celkovo 400 g Ca, ktoré môžete bezpečne predpokladať, že zostal po CaCO3 bol zahrievaný. V tomto príklade predstavuje zvyšných 160 g (560 - 400) zlúčeniny po zahriatí 10 mólov atómov kyslíka. Takto sa musí uvoľniť 440 g hmoty ako uvoľnený plyn.
Vyvážená rovnica musí mať tvar
10 CaCO3 → 10 CaO +?
a "?" plyn musí obsahovať uhlík a kyslík v určitej kombinácii; musí mať 20 mólov atómov kyslíka - už máte 10 mólov atómov kyslíka naľavo od znamienka +, a preto 10 mólov atómov uhlíka. "?" je CO2. (V dnešnom vedeckom svete ste už počuli o kysličníku uhličitom, čo robí tento problém niečím ako triviálnym cvičením. Myslite však na čas, keď dokonca ani vedci nevedeli, čo je vo vzduchu.)
Einstein a rovnica hromadnej energie
Študenti fyziky môžu byť zmätení slávnymi zachovanie hmotnostno-energetickej rovnice E = mc2 postuloval Albert Einstein začiatkom 20. rokov 20. storočia, keď premýšľal, či odporuje zákonu zachovania hmoty (alebo energie), pretože sa zdá, že to znamená, že hmota môže byť premenená na energiu a naopak.
Nie je porušený ani jeden zákon; Namiesto toho zákon potvrdzuje, že masa a energia sú v skutočnosti rôzne formy tej istej veci.
Je to niečo ako ich meranie v rôznych jednotkách vzhľadom na situáciu.
Hmotnosť, energia a hmotnosť v reálnom svete
Pravdepodobne nemôžete pomôcť, ale nevedome prirovnať hmotnosť k hmotnosti z vyššie uvedených dôvodov - hmotnosť je iba hmotnosť, keď je v zmesi gravitácia, ale keď je podľa vašej skúsenosti gravitácia. nie prítomný (keď ste na Zemi a nie v komore s nulovou gravitáciou)?
Je preto ťažké predstaviť si veci ako také veci, ako je energia sama osebe, ktorá sa riadi určitými základnými zákonmi a zásadami.
Rovnako ako energia môže meniť formy medzi kinetickými, potenciálnymi, elektrickými, tepelnými a inými typmi, záležitosť robí to isté, hoci rôzne formy hmoty sa nazývajú stavy: tuhá látka, plyn, kvapalina a plazma.
Ak dokážete filtrovať, ako vaše vlastné zmysly vnímajú rozdiely v týchto množstvách, možno budete vedieť, že vo fyzike existuje len málo skutočných rozdielov.
Schopnosť spojiť hlavné koncepcie v „tvrdých vedách“ sa na prvý pohľad môže zdať náročná, ale nakoniec je vždy vzrušujúca a obohacujúca.