المحتوى
- قانون حفظ القداس
- تاريخ قانون الحفظ الشامل
- نظرة عامة على حفظ الكتلة
- ما هو الآخر "المحفوظة" في العلوم الفيزيائية؟
- قانون حفظ القداس: مثال
- آينشتاين ومعادلة الطاقة الجماعية
- الكتلة والطاقة والوزن في العالم الحقيقي
إن أحد أهم المبادئ المميزة للفيزياء هو أن العديد من أهم خصائصه تطيع دون تردد مبدأ هامًا: في ظل ظروف محددة بسهولة ، الحفاظ، وهذا يعني أن المبلغ الإجمالي لهذه الكميات الموجودة داخل النظام الذي اخترته لن يتغير أبدًا.
تتميز أربعة كميات شائعة في الفيزياء بوجود قوانين للحفظ تنطبق عليها. وهذه هي طاقة, قوة الدفع, الزخم الزاوي و كتلة. الثلاثة الأولى من هذه الكميات غالبًا ما تكون خاصة بمشاكل الميكانيكا ، لكن الكتلة عالمية ، واكتشاف - أو مظاهرة ، كما كان - الحفاظ على الكتلة ، مع تأكيد بعض الشكوك القديمة في عالم العلوم ، كان أمرًا ضروريًا لإثبات .
قانون حفظ القداس
ال قانون حفظ الكتلة ينص على أنه في نظام مغلق (بما في ذلك الكون كله) ، لا يمكن إنشاء الكتلة أو تدميرها عن طريق التغيرات الكيميائية أو الفيزيائية. بعبارات أخرى، يتم حفظ الكتلة الكلية دائما. مكسيم صفيق "ما يجري ، يجب أن يخرج!" يبدو أنه من الحقائق البديهية العلمية ، حيث لم يثبت أبدًا أنه يتلاشى مع عدم وجود أثر مادي.
جميع مكونات جميع الجزيئات الموجودة في كل خلايا الجلد التي ألقيتها على الإطلاق ، مع ذراتها من الأكسجين والهيدروجين والنيتروجين والكبريت والكربون ، لا تزال موجودة. كما يظهر الخيال العلمي الغامض الملفات المجهولة تعلن عن الحقيقة ، كل الكتلة التي كانت "موجودة في مكان ما.'
يمكن أن يطلق عليه بدلاً من ذلك "قانون حفظ المادة" لأنه ، في ظل غياب الجاذبية ، لا يوجد شيء مميز في العالم حول الأشياء "الضخمة" بشكل خاص ؛ يتبع المزيد عن هذا التمييز المهم ، حيث أنه من الصعب المبالغة في أهميته.
تاريخ قانون الحفظ الشامل
تم اكتشاف قانون الحفاظ على الكتلة في عام 1789 من قبل العالم الفرنسي أنطوان لافوازييه ؛ طرح آخرون الفكرة من قبل ، لكن لافوازييه كان أول من أثبت ذلك.
في ذلك الوقت ، كان الكثير من الإيمان السائد بالكيمياء حول النظرية الذرية لا يزال يأتي من الإغريق القدماء ، وبفضل الأفكار الأكثر حداثة ، كان يعتقد أن هناك شيئًا ما داخل النار ("اللاهوب مادة كيميائية") كان في الواقع مادة. وهذا ما أوضحه العلماء ، أوضح سبب كون كومة من الرماد أخف من أي شيء تم حرقه لإنتاج الرماد.
Lavoisier ساخنة أكسيد الزئبق ولاحظ أن الكمية التي انخفض وزن المواد الكيميائية تساوي وزن غاز الأكسجين المنطلق في التفاعل الكيميائي.
قبل أن يتمكن الكيميائيون من حساب مجموعات الأشياء التي يصعب تتبعها ، مثل بخار الماء والغازات النزرة ، لم يتمكنوا من اختبار أي مبادئ للحفاظ على المواد بشكل كافٍ حتى لو كانوا يشتبهون في أن هذه القوانين قيد التنفيذ بالفعل.
على أي حال ، دفع هذا لافوازييه إلى توضيح أنه يجب حفظ المادة في تفاعلات كيميائية ، وهذا يعني أن الكمية الإجمالية للمادة على كل جانب من المعادلة الكيميائية هي نفسها. هذا يعني أن إجمالي عدد الذرات (ولكن ليس بالضرورة إجمالي عدد الجزيئات) في المواد المتفاعلة يجب أن يساوي الكمية في المنتجات ، بغض النظر عن طبيعة التغير الكيميائي.
نظرة عامة على حفظ الكتلة
إحدى الصعوبات التي قد يواجهها الأشخاص فيما يتعلق بقانون الحفاظ على الكتلة هي أن حدود حواسك تجعل بعض جوانب القانون أقل بديهية.
على سبيل المثال ، عندما تأكل رطلًا من الطعام وتشرب رطلًا من السوائل ، فقد تزن نفس الوزن بعد ست ساعات أو نحو ذلك حتى لو لم تذهب إلى الحمام. هذا جزئيًا لأن مركبات الكربون في الغذاء يتم تحويلها إلى ثاني أكسيد الكربون (CO2) والزفير تدريجيا في بخار (غير مرئية عادة) في أنفاسك.
في جوهره ، كمفهوم للكيمياء ، يعد قانون حفظ الكتلة جزءًا لا يتجزأ من فهم العلوم الفيزيائية ، بما في ذلك الفيزياء. على سبيل المثال ، في مشكلة الزخم المتعلقة بالاصطدام ، يمكننا أن نفترض أن الكتلة الكلية في النظام لم تتغير من ما كانت عليه قبل التصادم إلى شيء مختلف بعد الاصطدام لأن الكتلة - مثل الزخم والطاقة - يتم الحفاظ عليها.
ما هو الآخر "المحفوظة" في العلوم الفيزيائية؟
ال قانون حفظ الطاقة ينص على أن الطاقة الكلية للنظام المعزول لا تتغير أبدًا ، ويمكن التعبير عنها بعدة طرق. واحدة من هذه هي KE (الطاقة الحركية) + PE (الطاقة الكامنة) + الطاقة الداخلية (IE) = ثابت. يتبع هذا القانون أول قانون للديناميكا الحرارية ويؤكد أن الطاقة ، مثل الكتلة ، لا يمكن توليدها أو تدميرها.
قوة الدفع (مالخامس) و الزخم الزاوي (L = مVR) يتم حفظها أيضًا في الفيزياء ، والقوانين ذات الصلة تحدد بشدة الكثير من سلوك الجزيئات في الميكانيكا التحليلية الكلاسيكية.
قانون حفظ القداس: مثال
تسخين كربونات الكالسيوم ، أو CaCO3، ينتج مركب الكالسيوم أثناء تحرير الغاز الغامض. لنفترض أن لديك 1 كجم (1000 غرام) من CaCO3وتكتشف أنه عند تسخين هذا ، يبقى 560 جرامًا من مركب الكالسيوم.
ما هو التكوين المحتمل لمادة الكالسيوم الكيميائية المتبقية ، وما هو المركب الذي تم تحريره كغاز؟
أولاً ، نظرًا لأن هذه مشكلة كيميائية بشكل أساسي ، فسوف تحتاج إلى الرجوع إلى جدول دوري للعناصر (انظر الموارد للحصول على مثال).
قيل لك أن لديك 1000 غرام من CaCO الأولي3. من الكتل الجزيئية للذرات المكونة في الجدول ، ترى أن الكالسيوم = 40 جم / مول ، C = 12 جم / مول ، و O = 16 جم / مول ، مما يجعل الكتلة الجزيئية لكربونات الكالسيوم ككل 100 جم / مول (تذكر أن هناك ثلاث ذرات أكسجين في CaCO3). ومع ذلك ، لديك 1000 غرام من CaCO3وهو 10 مولات من المادة.
في هذا المثال ، يحتوي منتج الكالسيوم على 10 مول من ذرات الكالسيوم ؛ نظرًا لأن كل ذرة من الكالسيوم تبلغ 40 جم / مول ، فلديك إجمالي 400 غ من الكالسيوم التي يمكنك افتراضها بأمان بعد تركها3 تم تسخينها. في هذا المثال ، يمثل الـ 160 جم الباقي (560 - 400) من مركب ما بعد التسخين 10 مول من ذرات الأكسجين. هذا يجب أن يترك 440 جم من الكتلة كغاز متحرر.
يجب أن تحتوي المعادلة المتوازنة على الشكل
10 CaCO3 → 10 CaO؟
و ال "؟" يجب أن يحتوي الغاز على الكربون والأكسجين في بعض التركيبة ؛ يجب أن يحتوي على 20 مول من ذرات الأكسجين - لديك بالفعل 10 مول من ذرات الأكسجين على يسار علامة + - وبالتالي 10 مول من ذرات الكربون. ال "؟" هو CO2. (في عالم العلوم اليوم ، سمعت عن ثاني أكسيد الكربون ، مما يجعل هذه المشكلة شيئًا ما بمثابة تمرين تافه. لكن فكر في وقت لم يكن حتى العلماء حتى يعرفون ماذا كان موجودًا في "الهواء".)
آينشتاين ومعادلة الطاقة الجماعية
قد يكون الخلط بين طلاب الفيزياء من قبل الشهير الحفاظ على معادلة طاقة الكتلة E = مولودية2 افترضه ألبرت أينشتاين في أوائل القرن العشرين ، متسائلاً عما إذا كان يتحدى قانون الحفاظ على الكتلة (أو الطاقة) ، حيث يبدو أنه يمكن تحويل الكتلة إلى طاقة والعكس صحيح.
لم يتم انتهاك القانون ؛ بدلاً من ذلك ، يؤكد القانون أن الكتلة والطاقة هما في الواقع شكلان مختلفان لنفس الشيء.
هو نوع من مثل قياسها في وحدات مختلفة بالنظر إلى الموقف.
الكتلة والطاقة والوزن في العالم الحقيقي
ربما لا يسعك إلا أن تساوي الكتلة دون وعي بالوزن للأسباب الموضحة أعلاه - الكتلة هي الوزن فقط عندما تكون الجاذبية في المزيج ، ولكن عندما تكون خبرتك في الجاذبية ليس الحاضر (عندما كنت على الأرض وليس في غرفة الجاذبية الصفرية)؟
من الصعب إذن التفكير في الأمر على أنه مجرد أشياء ، مثل الطاقة في حد ذاتها ، والتي تطيع بعض القوانين والمبادئ الأساسية.
أيضًا ، مثلما يمكن للطاقة تغيير الأشكال بين الأنواع الحركية والإمكانات والكهربائية والحرارية وغيرها ، فإن المادة تفعل الشيء نفسه ، على الرغم من أن الأشكال المختلفة للمادة تسمى تنص على: الصلبة ، الغاز ، السائل والبلازما.
إذا تمكنت من تصفية كيفية إدراك حواسك للاختلافات في هذه الكميات ، فقد تكون قادرًا على تقدير وجود بعض الاختلافات الفعلية في الفيزياء.
قد تكون القدرة على ربط المفاهيم الرئيسية معًا في "العلوم الصعبة" شاقة في البداية ، لكنها دائمًا مثيرة ومجزية في النهاية.