תוֹכֶן
- חוק שימור המיסה
- תולדות חוק שימור ההמונים
- סקירה כללית של שימור המיסה
- מה עוד "נשמר" במדע הגופני?
- חוק שימור המיסה: דוגמא
- איינשטיין ומשוואת ההמונים-אנרגיה
- מסה, אנרגיה ומשקל בעולם האמיתי
אחד העקרונות הגדולים המרכיבים את הפיזיקה הוא שרבים מהתכונות החשובות ביותר שלה מצייתים ללא עוררין לעיקרון חשוב: בתנאים מוגדרים בקלות, הם שמור, כלומר הסכום הכולל של הכמויות הללו הכלולות במערכת שבחרת לעולם לא ישתנה.
ארבע כמויות נפוצות בפיזיקה מאופיינות בכך שיש חוקים לשימור החלים עליהם. אלו הם אנרגיה, תנופה, תנופה זוויתית ו מסה. שלושת הראשונים הללו הם כמויות הספציפיות לבעיות מכניקה, אך המסה היא אוניברסלית, והתגלית - או ההפגנה, כביכול - שמיסה נשמרת, תוך אישור חשדות ארוכי טווח בעולם המדע, הייתה חיונית להוכחה. .
חוק שימור המיסה
ה חוק שימור המסה קובע כי בסעיף א מערכת סגורה (כולל היקום כולו), לא ניתן ליצור ולא להרוס מסה על ידי שינויים כימיים או פיסיים. במילים אחרות, המסה הכוללת נשמרת תמיד. המקסימום החצוף "מה שנכנס, חייב לצאת!" נראה כטרוניזם מדעי מילולי, מכיוון שאי פעם הוכח ששום דבר פשוט נעלם ללא עקבות פיזיות.
כל המרכיבים של כל המולקולות בכל תא עור שאי פעם זרקתם, עם אטומי החמצן, המימן, החנקן, הגופרית והפחמן שלהם, עדיין קיימים. בדיוק כמו שמראה המדע הבדיוני המסתורי קבצי ה- X מכריז על האמת, כל המיסה שהיה אי פעם "נמצאת שם בחוץ אי שם.'
אפשר לקרוא לזה במקום זאת "חוק שימור החומר" מכיוון שללא כוח הכבידה אין שום דבר מיוחד בעולם בחפצים "מסיביים" במיוחד; בהמשך לכך מובא הבחנה חשובה זו, שכן קשה להפריז ברלוונטיות שלה.
תולדות חוק שימור ההמונים
גילוי חוק שימור ההמונים נעשה בשנת 1789 על ידי המדען הצרפתי אנטואן לבואהייה; אחרים העלו את הרעיון בעבר, אבל לבואזייה היה הראשון להוכיח זאת.
באותה תקופה, חלק גדול מהאמונה הרווחת בכימיה על תיאוריה אטומית עדיין הגיעה מהיוונים הקדומים, ובזכות רעיונות עדכניים יותר, היה נהוג לחשוב שמשהו נמצא בתוך אש ("פלוגיסטון") היה למעשה חומר. זה, טענו המדענים, מדוע ערמת אפר קלה יותר מכל מה שנשרף כדי לייצר את האפר.
לבואזייה התחמם תחמוצת כספית וציין כי הכמות שבה ירדה משקל הכימיקלים הייתה שווה למשקל של גז החמצן ששוחרר בתגובה הכימית.
לפני שהכימאים יכלו להסביר את ההמונים של דברים שקשה לעקוב אחריהם, כמו אדי מים וגזי עקבות, הם לא יכלו לבחון כראוי כל עקרונות לשימור העניין, אפילו אם הם חושדים שחוקים כאלה אכן פועלים.
בכל מקרה, הדבר הביא את לבואהייה לקבוע כי יש לשמור על חומר בתגובות כימיות, כלומר הכמות הכוללת של החומר מכל צד של משוואה כימית זהה. המשמעות היא שמספר האטומים הכולל (אך לא בהכרח המספר הכולל של מולקולות) בריאקטנטים חייב להיות שווה לכמות במוצרים, ללא קשר לאופי השינוי הכימי.
סקירה כללית של שימור המיסה
קושי אחד שאנשים יכולים להתקיים בחוק שימור המסה הוא שגבולות חושיכם הופכים את היבטי החוק לאינטואיטיביים פחות.
לדוגמה, כשאתם אוכלים קילוגרם מזון ושותים קילו נוזלים, אתם עשויים לשקול את אותם שש בערך שעות אחר כך, גם אם לא תגיעו לשירותים. זה בין היתר מכיוון שתרכובות פחמן במזון מומרות לפחמן דו חמצני (CO2) ונשפו בהדרגה באדי (בדרך כלל בלתי נראים) בנשימה.
בבסיסו, כמושג כימיה, חוק שימור המסה הוא אינטגרלי להבנת מדעי הפיזיקה, כולל פיזיקה. לדוגמא, בבעיית מומנטום הנוגעת להתנגשות, אנו יכולים להניח שהמסה הכוללת במערכת לא השתנתה ממה שהייתה לפני ההתנגשות למשהו אחר לאחר ההתנגשות מכיוון שמסה - כמו מומנטום ואנרגיה - נשמרת.
מה עוד "נשמר" במדע הגופני?
ה חוק שימור אנרגיה קובע כי האנרגיה הכוללת של מערכת מבודדת לעולם אינה משתנה, והיא יכולה לבוא לידי ביטוי במספר דרכים. אחד מאלה הוא KE (אנרגיה קינטית) + PE (אנרגיה פוטנציאלית) + אנרגיה פנימית (IE) = קבוע. חוק זה נובע מהחוק הראשון של התרמודינמיקה ומבטיח כי לא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה, כמו מסה.
מומנטום (Mv) ו תנופה זוויתית (ל = מvr) שמורים גם בפיזיקה, והחוקים הרלוונטיים קובעים במידה רבה חלק מהתנהגותם של חלקיקים במכניקה אנליטית קלאסית.
חוק שימור המיסה: דוגמא
חימום של סידן פחמתי, או CaCO3, מייצר תרכובת סידן תוך שחרור גז מסתורי. נניח שיש לך 1 ק"ג (1,000 גרם) CaCO3, ואתה מגלה שכאשר זה מחומם, נותרו 560 גרם מתרכובת הסידן.
מהו ההרכב הסביר של החומר הכימי הסידני שנותר, ומה התרכובת ששוחררה כגז?
ראשית, מכיוון שמדובר בעיקר בבעיית כימיה, עליכם להתייחס לטבלה תקופתית של אלמנטים (ראה דוגמה למשאבים).
אומרים לך שיש לך 1,000 גרם CaCO הראשוניים3. מהמסות המולקולריות של האטומים המרכיבים בטבלה, אתה רואה ש- Ca = 40 גרם / מול, C = 12 גרם / מול, ו- O = 16 גרם / מול, מה שהופך את המסה המולקולרית של סידן פחמתי בכל 100 גרם / mol (זכרו שיש שלושה אטומי חמצן ב- CaCO)3). עם זאת, יש לך 1,000 גרם CaCO3, שהם 10 שומות מהחומר.
בדוגמה זו, למוצר הסידן 10 שומות של אטומי Ca; מכיוון שכל אטום Ca הוא 40 גרם / מולקולה, יש לך 400 גרם סה"כ Ca שתוכלו להניח בבטחה שנשאר אחרי ה- CaCO3 היה מחומם. לדוגמא זו, 160 גרם (560 - 400) הנותרים של תרכובת שלאחר החימום מייצגים 10 מול אטומי חמצן. זה חייב להשאיר 440 גרם מסה כגז משוחרר.
המשוואה המאוזנת חייבת להיות בעלת הצורה
10 CaCO3 → 10 CaO +?
וה "?" גז חייב להכיל פחמן וחמצן בשילוב כלשהו; עליו להיות 20 שומות אטומי חמצן - יש לך כבר 10 שומן אטומי חמצן משמאל לסימן + - ולכן 10 שומן אטומי פחמן. ה "?" הוא CO2. (בעולם המדע של ימינו שמעת על פחמן דו חמצני, מה שהופך את הבעיה הזו לתרגיל של מה בכך. אבל חשוב לזמן שאפילו מדענים אפילו לא ידעו מה יש באוויר.)
איינשטיין ומשוואת ההמונים-אנרגיה
סטודנטים לפיזיקה עשויים להיות מבולבלים על ידי המפורסמים שימור משוואת אנרגיה המונית E = mc2 שהוצב על ידי אלברט איינשטיין בראשית המאה העשרים, תוהה אם הוא מתריס נגד חוק שימור המסה (או האנרגיה), מכיוון שזה נראה שמשמעותו ניתן להמיר מסה לאנרגיה ולהפך.
אף חוק אינו מופר; במקום זאת החוק מאשר כי מסה ואנרגיה הם למעשה צורות שונות של אותו דבר.
זה כמו לאמוד אותם ביחידות שונות בהתחשב במצב.
מסה, אנרגיה ומשקל בעולם האמיתי
אולי אינך יכול שלא להשוות באופן לא מודע מסה למשקל מהסיבות שתוארו לעיל - המסה היא משקל רק כאשר כוח הכבידה נמצא בתערובת, אך כאשר הניסיון שלך הוא כוח הכבידה לא נוכח (כשאתה על כדור הארץ ולא בחדר אפס כוח משיכה)?
קשה אפוא להגות את החומר כאל חומר סתם, כמו אנרגיה בפני עצמה, המציית לחוקים ועקרונות בסיסיים מסוימים.
כמו כן, כשם שאנרגיה יכולה לשנות צורות בין סוגים קינטיים, פוטנציאליים, חשמליים, תרמיים ואחרים, כך החומר עושה את אותו הדבר, אם כי צורות החומר השונות נקראות מדינות: מוצק, גז, נוזל ופלזמה.
אם אתה יכול לסנן כיצד החושים שלך תופסים את ההבדלים בכמויות אלה, ייתכן שתוכל להעריך שיש מעט הבדלים בפועל בפיזיקה.
היכולת לקשור מושגים עיקריים ב"מדעים הקשים "אולי נראית מפרכת בהתחלה, אבל זה תמיד מרגש ומתגמל בסופו של דבר.