Contenuto
- La legge della conservazione della messa
- Storia della legge sulla conservazione di massa
- Panoramica sulla conservazione della messa
- Cos'altro è "conservato" nelle scienze fisiche?
- Legge di conservazione della massa: esempio
- Einstein e l'equazione di massa-energia
- Massa, energia e peso nel mondo reale
Uno dei grandi principi che definiscono la fisica è che molte delle sue proprietà più importanti obbediscono senza sosta a un principio importante: in condizioni facilmente specificabili, sono conservato, il che significa che la quantità totale di queste quantità contenute nel sistema che hai scelto non cambia mai.
Quattro quantità comuni in fisica sono caratterizzate dall'avere leggi di conservazione che si applicano a loro. Questi sono energia, quantità di moto, momento angolare e massa. I primi tre di questi sono quantità spesso specifiche dei problemi della meccanica, ma la massa è universale e la scoperta - o la dimostrazione, per così dire - che la massa è conservata, confermando alcuni sospetti di lunga data nel mondo della scienza, è stata fondamentale per dimostrare .
La legge della conservazione della messa
Il legge di conservazione della massa afferma che, in a sistema chiuso (compreso l'intero universo), la massa non può essere né creata né distrutta da cambiamenti chimici o fisici. In altre parole, la massa totale è sempre conservata. La massima sfacciata "Ciò che entra, deve venire fuori!" sembra essere un vero e proprio truismo scientifico, poiché nulla ha mai dimostrato di svanire semplicemente senza alcuna traccia fisica.
Tutti i componenti di tutte le molecole in ogni cellula della pelle che hai mai versato, con i loro atomi di ossigeno, idrogeno, azoto, zolfo e carbonio, esistono ancora. Proprio come mostra la fantascienza misteriosa Gli X-Files dichiara la verità, tutta la massa che sia mai stata "è là fuori da qualche parte.'
Si potrebbe invece chiamare "la legge di conservazione della materia" perché, in assenza di gravità, non c'è niente di speciale al mondo su oggetti particolarmente "massicci"; segue di più questa importante distinzione, poiché la sua rilevanza è difficile da sopravvalutare.
Storia della legge sulla conservazione di massa
La scoperta della legge di conservazione della massa fu fatta nel 1789 dallo scienziato francese Antoine Lavoisier; altri avevano avuto l'idea prima, ma Lavoisier è stato il primo a dimostrarlo.
All'epoca, gran parte della credenza prevalente in chimica sulla teoria atomica proveniva ancora dagli antichi greci e, grazie a idee più recenti, si pensava che qualcosa nel fuoco ("flogisto") era in realtà una sostanza. Questo, secondo gli scienziati, ha spiegato perché un mucchio di ceneri è più leggero di qualsiasi cosa sia stata bruciata per produrre le ceneri.
Lavoisier riscaldato ossido mercurico e ha osservato che la quantità diminuita di peso delle sostanze chimiche era uguale al peso dell'ossigeno gassoso rilasciato nella reazione chimica.
Prima che i chimici potessero spiegare le masse di cose che erano difficili da rintracciare, come il vapore acqueo e i gas in traccia, non potevano testare adeguatamente tutti i principi di conservazione della materia anche se sospettavano che tali leggi fossero effettivamente in vigore.
In ogni caso, ciò ha portato Lavoisier a dichiarare che la materia deve essere conservata nelle reazioni chimiche, il che significa che la quantità totale di materia su ciascun lato di un'equazione chimica è la stessa. Ciò significa che il numero totale di atomi (ma non necessariamente il numero totale di molecole) nei reagenti deve essere uguale alla quantità nei prodotti, indipendentemente dalla natura del cambiamento chimico.
Panoramica sulla conservazione della messa
Una difficoltà che le persone possono avere con la legge di conservazione della massa è che i limiti dei tuoi sensi rendono meno intuitivi alcuni aspetti della legge.
Ad esempio, quando mangi una libbra di cibo e bevi una libbra di liquido, potresti pesare le stesse sei ore dopo anche se non vai in bagno. Ciò è in parte dovuto al fatto che i composti di carbonio negli alimenti vengono convertiti in anidride carbonica (CO2) ed espirava gradualmente nel vapore (solitamente invisibile) nel respiro.
Alla base, come concetto di chimica, la legge di conservazione della massa è parte integrante della comprensione della scienza fisica, compresa la fisica. Ad esempio, in un problema di quantità di moto sulla collisione, possiamo supporre che la massa totale nel sistema non sia cambiata da ciò che era prima della collisione a qualcosa di diverso dopo la collisione perché la massa - come la quantità di moto e l'energia - è conservata.
Cos'altro è "conservato" nelle scienze fisiche?
Il legge di conservazione dell'energia afferma che l'energia totale di un sistema isolato non cambia mai e che può essere espressa in vari modi. Uno di questi è KE (energia cinetica) + PE (energia potenziale) + energia interna (IE) = una costante. Questa legge deriva dalla prima legge della termodinamica e assicura che l'energia, come la massa, non possa essere creata o distrutta.
Quantità di moto (mv) e momento angolare (L = mvr) sono anche conservati in fisica e le leggi pertinenti determinano fortemente gran parte del comportamento delle particelle nella meccanica analitica classica.
Legge di conservazione della massa: esempio
Il riscaldamento di carbonato di calcio o CaCO3, produce un composto di calcio mentre libera un gas misterioso. Supponiamo che tu abbia 1 kg (1.000 g) di CaCO3e scopri che quando questo viene riscaldato, rimangono 560 grammi del composto di calcio.
Qual è la probabile composizione della rimanente sostanza chimica del calcio e qual è il composto che è stato liberato come gas?
Innanzitutto, poiché questo è essenzialmente un problema di chimica, dovrai fare riferimento a una tavola periodica degli elementi (vedi Risorse per un esempio).
Ti viene detto che hai quei 1.000 g iniziali di CaCO3. Dalle masse molecolari degli atomi costituenti nella tabella, vedi che Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol e O = 16 g / mol, rendendo la massa molecolare del carbonato di calcio nel suo complesso 100 g / mol (ricorda che ci sono tre atomi di ossigeno in CaCO3). Tuttavia, hai 1.000 g di CaCO3, che è 10 moli della sostanza.
In questo esempio, il prodotto di calcio ha 10 moli di atomi di Ca; poiché ogni atomo di Ca è 40 g / mol, si dispone di 400 g di Ca totale che si può presumere che sia rimasto dopo il CaCO3 è stato riscaldato. Per questo esempio, i restanti 160 g (560 - 400) del composto post-riscaldamento rappresentano 10 moli di atomi di ossigeno. Questo deve lasciare 440 g di massa come gas liberato.
L'equazione bilanciata deve avere la forma
10 CaCO3 → 10 CaO +?
e il "?" il gas deve contenere carbonio e ossigeno in alcune combinazioni; deve avere 20 moli di atomi di ossigeno - hai già 10 moli di atomi di ossigeno a sinistra del segno + - e quindi 10 moli di atomi di carbonio. Il "?" è CO2. (Nel mondo della scienza di oggi, hai sentito parlare di anidride carbonica, rendendo questo problema un esercizio banale. Ma pensa a un'epoca in cui persino gli scienziati non sapevano nemmeno cosa fosse "in aria".)
Einstein e l'equazione di massa-energia
Gli studenti di fisica potrebbero essere confusi dal famoso conservazione dell'equazione di energia di massa E = mc2 postulato da Albert Einstein nei primi anni del 1900, chiedendosi se sfidasse la legge di conservazione della massa (o energia), poiché sembra implicare che la massa possa essere convertita in energia e viceversa.
Nessuna delle due leggi è stata violata; invece, la legge afferma che la massa e l'energia sono in realtà forme diverse della stessa cosa.
È un po 'come misurarli in unità diverse data la situazione.
Massa, energia e peso nel mondo reale
Forse non puoi fare a meno di equiparare inconsciamente la massa al peso per i motivi sopra descritti - la massa è solo peso quando la gravità è nel mix, ma quando nella tua esperienza è la gravità non presente (quando sei sulla Terra e non in una camera a gravità zero)?
È difficile, quindi, concepire la materia come solo roba, come energia a sé stante, che obbedisce a certe leggi e principi fondamentali.
Inoltre, così come l'energia può cambiare le forme tra cinetico, potenziale, elettrico, termico e altri tipi, la materia fa la stessa cosa, sebbene le diverse forme di materia siano chiamate stati: solido, gas, liquido e plasma.
Se riesci a filtrare il modo in cui i tuoi sensi percepiscono le differenze in queste quantità, potresti essere in grado di apprezzare che ci sono poche differenze effettive nella fisica.
Essere in grado di legare insieme i concetti più importanti nelle "scienze della scienza" può sembrare difficile all'inizio, ma alla fine è sempre eccitante e gratificante.