Inhalt
- Das Gesetz der Massenerhaltung
- Geschichte des Massenschutzgesetzes
- Überblick über die Erhaltung der Masse
- Was ist sonst in der Physik "konserviert"?
- Gesetz der Massenerhaltung: Beispiel
- Einstein und die Masse-Energie-Gleichung
- Masse, Energie und Gewicht in der realen Welt
Eines der wichtigsten Prinzipien der Physik ist, dass viele ihrer wichtigsten Eigenschaften unerschütterlich einem wichtigen Prinzip folgen: Unter leicht spezifizierten Bedingungen sind sie es konserviertDies bedeutet, dass sich die Gesamtmenge dieser in dem von Ihnen ausgewählten System enthaltenen Mengen niemals ändert.
Vier gängige Größen in der Physik zeichnen sich dadurch aus, dass für sie Erhaltungssätze gelten. Diese sind Energie, Schwung, Drehimpuls und Masse. Die ersten drei sind Größen, die häufig für mechanische Probleme spezifisch sind, aber die Masse ist universell, und die Entdeckung - oder Demonstration, wie sie war - dass die Masse erhalten bleibt, während einige lang gehegte Verdächtigungen in der Wissenschaftswelt bestätigt wurden, war der entscheidende Beweis .
Das Gesetz der Massenerhaltung
Das Gesetz der Erhaltung der Masse stellt fest, dass in a geschlossenes System (einschließlich des gesamten Universums), Masse kann weder durch chemische oder physikalische Veränderungen erzeugt noch zerstört werden. Mit anderen Worten, Gesamtmasse bleibt immer erhalten. Die freche Maxime "Was rein geht, muss raus!" Es scheint eine buchstäbliche wissenschaftliche Binsenweisheit zu sein, denn es wurde nie gezeigt, dass nichts einfach spurlos verschwindet.
Alle Bestandteile aller Moleküle in jeder Hautzelle, die Sie jemals abgebaut haben, mit ihren Sauerstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Kohlenstoffatomen sind noch vorhanden. So wie es die Mystery-Science-Fiction-Show zeigt Akte X erklärt über die Wahrheit, alle Masse, die jemals war ", ist da draußen irgendwo.'
Man könnte es stattdessen "Gesetz der Erhaltung der Materie" nennen, denn ohne die Schwerkraft gibt es nichts Besonderes auf der Welt an besonders "massiven" Objekten. Weitere Informationen zu dieser wichtigen Unterscheidung folgen, da ihre Relevanz schwer zu übertreiben ist.
Geschichte des Massenschutzgesetzes
Die Entdeckung des Gesetzes zur Erhaltung der Masse erfolgte 1789 durch den französischen Wissenschaftler Antoine Lavoisier; Andere hatten die Idee schon einmal gehabt, aber Lavoisier war der erste, der sie bewies.
Zu der Zeit stammte ein Großteil des vorherrschenden Glaubens an die Chemie in Bezug auf die Atomtheorie noch von den alten Griechen, und dank neuerer Ideen wurde angenommen, dass sich etwas im Feuer befindet ("phlogiston") war eigentlich eine Substanz. Dies, überlegten Wissenschaftler, erklärte, warum ein Haufen Asche leichter ist als alles, was zur Herstellung der Asche verbrannt wurde.
Lavoisier erhitzt Quecksilberoxid und es wurde festgestellt, dass die Menge, um die das Chemikaliengewicht abnahm, gleich dem Gewicht des Sauerstoffgases war, das bei der chemischen Reaktion freigesetzt wurde.
Bevor Chemiker die Menge an schwer nachvollziehbaren Dingen wie Wasserdampf und Spurengasen erklären konnten, konnten sie die Prinzipien der Materialkonservierung nicht ausreichend testen, selbst wenn sie den Verdacht hatten, dass solche Gesetze tatsächlich in Kraft waren.
In jedem Fall führte dies Lavoisier zu der Feststellung, dass Materie bei chemischen Reaktionen konserviert werden muss, was bedeutet, dass die Gesamtmenge an Materie auf jeder Seite einer chemischen Gleichung gleich ist. Dies bedeutet, dass die Gesamtzahl der Atome (aber nicht unbedingt die Gesamtzahl der Moleküle) in den Reaktanten der Menge in den Produkten entsprechen muss, unabhängig von der Art der chemischen Änderung.
Überblick über die Erhaltung der Masse
Eine Schwierigkeit, die Menschen mit dem Gesetz der Massenerhaltung haben können, ist, dass die Grenzen Ihrer Sinne einige Aspekte des Gesetzes weniger intuitiv machen.
Wenn Sie beispielsweise ein Pfund essen und ein Pfund Flüssigkeit trinken, wiegen Sie möglicherweise ungefähr sechs Stunden später dasselbe, auch wenn Sie nicht auf die Toilette gehen. Dies liegt zum Teil daran, dass Kohlenstoffverbindungen in Lebensmitteln in Kohlendioxid (CO2) und atmete allmählich im (normalerweise unsichtbaren) Dampf Ihres Atems aus.
Als chemisches Konzept ist das Gesetz der Massenerhaltung von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Naturwissenschaften, einschließlich der Physik. Zum Beispiel können wir bei einem Momentum-Problem bezüglich der Kollision annehmen, dass sich die Gesamtmasse im System nicht von der vor der Kollision veränderten Masse zu einer nach der Kollision veränderten Masse geändert hat, da Masse - wie Momentum und Energie - erhalten bleibt.
Was ist sonst in der Physik "konserviert"?
Das Gesetz der Energieerhaltung gibt an, dass sich die Gesamtenergie eines isolierten Systems niemals ändert und dass dies auf verschiedene Arten ausgedrückt werden kann. Eine davon ist KE (kinetische Energie) + PE (potentielle Energie) + innere Energie (IE) = eine Konstante. Dieses Gesetz folgt aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik und stellt sicher, dass Energie wie Masse nicht erzeugt oder zerstört werden kann.
Schwung (mv) und Drehimpuls (L = mvr) sind auch in der Physik konserviert, und die relevanten Gesetze bestimmen stark das Verhalten von Partikeln in der klassischen analytischen Mechanik.
Gesetz der Massenerhaltung: Beispiel
Das Erhitzen von Calciumcarbonat oder CaCO3, produziert eine Kalziumverbindung und setzt dabei ein mysteriöses Gas frei. Nehmen wir an, Sie haben 1 kg (1.000 g) CaCO3, und Sie stellen fest, dass beim Erhitzen 560 Gramm der Kalziumverbindung verbleiben.
Wie ist die wahrscheinliche Zusammensetzung der verbleibenden kalziumchemischen Substanz und welche Verbindung wurde als Gas freigesetzt?
Erstens, da dies im Wesentlichen ein chemisches Problem ist, müssen Sie sich auf ein Periodensystem der Elemente beziehen (siehe Ressourcen für ein Beispiel).
Ihnen wird gesagt, dass Sie diese ersten 1.000 g CaCO haben3. Aus den Molekularmassen der Atombestandteile in der Tabelle geht hervor, dass Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol und O = 16 g / mol, was die Molmasse von Calciumcarbonat insgesamt zu 100 g / mol macht. mol (denken Sie daran, dass CaCO drei Sauerstoffatome enthält3). Sie haben jedoch 1.000 g CaCO3Das sind 10 Mol der Substanz.
In diesem Beispiel hat das Calciumprodukt 10 Mol Ca-Atome; Da jedes Ca-Atom 40 g / mol enthält, haben Sie insgesamt 400 g Ca, von dem Sie sicher ausgehen können, dass es nach dem CaCO übrig geblieben ist3 wurde erhitzt. In diesem Beispiel repräsentieren die verbleibenden 160 g (560 - 400) der nacherhitzten Verbindung 10 Mol Sauerstoffatome. Dabei müssen 440 g Masse als freigesetztes Gas verbleiben.
Die ausgeglichene Gleichung muss die Form haben
10 CaCO3 → 10 CaO +?
und das "?" Gas muss Kohlenstoff und Sauerstoff in irgendeiner Kombination enthalten; Es muss 20 Mol Sauerstoffatome haben - Sie haben bereits 10 Mol Sauerstoffatome links vom + -Zeichen - und daher 10 Mol Kohlenstoffatome. Das "?" ist CO2. (In der heutigen Wissenschaftswelt haben Sie von Kohlendioxid gehört, was dieses Problem zu einer trivialen Übung macht. Denken Sie jedoch an eine Zeit, in der selbst Wissenschaftler nicht einmal wussten, was sich in "Luft" befindet.)
Einstein und die Masse-Energie-Gleichung
Physikstudenten könnten von den berühmten verwirrt werden Erhaltung der Masse-Energie-Gleichung E = mc2 von Albert Einstein in den frühen 1900er Jahren postuliert und sich gefragt, ob es dem Gesetz der Erhaltung von Masse (oder Energie) widerspricht, da es zu implizieren scheint, dass Masse in Energie umgewandelt werden kann und umgekehrt.
Keines der Gesetze wird verletzt; Stattdessen bestätigt das Gesetz, dass Masse und Energie tatsächlich verschiedene Formen derselben Sache sind.
Es ist, als würde man sie je nach Situation in verschiedenen Einheiten messen.
Masse, Energie und Gewicht in der realen Welt
Vielleicht können Sie aus den oben beschriebenen Gründen nicht anders, als Masse unbewusst mit Gewicht gleichzusetzen - Masse ist nur dann Gewicht, wenn die Schwerkraft im Spiel ist, aber nach Ihrer Erfahrung die Schwerkraft nicht anwesend (wenn du auf der Erde bist und nicht in einer Schwerelosigkeitskammer)?
Es ist daher schwierig, sich Materie als bloßes Zeug vorzustellen, wie Energie an sich, die bestimmten fundamentalen Gesetzen und Prinzipien gehorcht.
Ebenso wie Energie Formen zwischen kinetischen, potentiellen, elektrischen, thermischen und anderen Arten ändern kann, tut Materie dasselbe, obwohl die verschiedenen Formen von Materie genannt werden Zustände: Feststoff, Gas, Flüssigkeit und Plasma.
Wenn Sie filtern können, wie Ihre eigenen Sinne die Unterschiede in diesen Größen wahrnehmen, können Sie möglicherweise einschätzen, dass es nur wenige tatsächliche Unterschiede in der Physik gibt.
In der Lage zu sein, wichtige Konzepte in den "harten Wissenschaften" zusammenzubinden, mag zunächst mühsam erscheinen, ist aber am Ende immer aufregend und lohnend.