Prawo zachowania masy
Prawo zachowania masy – prawo przyrody opisujące zachowanie (pozostawanie stałą) wielkości fizycznej – masy w układzie zamkniętym i układzie izolowanym podczas przemian i oddziaływań fizycznych oraz reakcji chemicznych.
Spis treści |
Antyczne początki[edytuj]
Za prekursora tej zasady uznać można starożynego filozofa Empedoklesa : "W przyrodzie nie powstaje nic, co może umrzeć; nie ma całkowitego unicestwienia; nie dzieje się nic oprócz zmian i rozpadu tego co połączone." [1]
Prawo zachowania masy w mechanice klasycznej[edytuj]
W fizyce pojęcie masy jako wielkości zachowywanej i opisującej "ilość materii" zostało wprowadzone przez Newtona (1687 Philosophiae naturalis principia mathematica).[2]. W mechanice klasycznej masa ciała i układu ciał nie zmienia się podczas przemian i oddziaływań fizycznych, a masa układu jest sumą mas ciał wchodzących w jego skład (addytywność masy).
Prawo zachowania masy w chemii[edytuj]
Zachowanie masy podczas reakcji chemicznych stwierdzili i prawo zachowania masy w chemii sformułowali, niezależnie od siebie Rosjanin Michaił Łomonosow (1756) i Francuz Antoine Lavoisier (1785).
Tradycyjne sformułowanie prawa zachowania masy w obrębie chemii:
"Łączna masa wszystkich substancji przed reakcją (tzw. substratów) jest równa łącznej masie wszystkich substancji powstałych w reakcji (tzw. produktów)"[3] lub:
"Całkowita masa substancji uczestniczących w reakcji chemicznej pozostaje niezmienna"[4]
dotyczy układu zamkniętego ale niekoniecznie izolowanego i zakłada domyślnie nie tylko zachowanie masy, ale i jej addytywność:
"W reakcji chemicznej sumy mas produktów i substratów są sobie równe"[4].
Wynika ono stąd, że liczba atomów danego pierwiastka chemicznego podczas reakcji chemicznej i masa pojedynczego atomu nie zmieniają się, więc łączna masa atomów w układzie reakcyjnym po reakcji jest taka sama jak przed jej zajściem[4] – (jest to tzw. mikroskopowa interpretacja prawa zachowania masy).
Prawo zachowania masy współcześnie[edytuj]
W fizyce współczesnej, zgodnie ze szczególną teorią względności obowiązuje prawo zachowania całkowitej masy spoczynkowej układu izolowanego[5]:
"Masa spoczynkowa układu nie ulega zmianie"[6].
Jednakże, ze względu na to, że do masy spoczynkowej układu swój wkład wnoszą nie tylko masy spoczynkowe składników, ale też wszelkie formy energii wewnętrznej (równoważność masy i energii), w tym energia kinetyczna składników i energia potencjalna ich wzajemnych oddziaływań, masa spoczynkowa nie jest wielkością addytywną, tzn. masa spoczynkowa układu nie jest sumą mas spoczynkowych jego składników. W szczególności, w układzie odniesienia, w którym całkowity pęd układu jest zerowy (tzw. układ środka pędu), masa spoczynkowa układu jest równa sumie mas spoczynkowych jego składników, ich energii kinetycznych i energii ich oddziaływań[7].
Podczas przemian i oddziaływań fizycznych oraz reakcji chemicznych może zmieniać się struktura masy spoczynkowej układu[6], przez np. zmniejszenie sumy mas spoczynkowych jego składników, a zwiększenie sumy ich energii kinetycznych (zmianę energii spoczynkowej w energię kinetyczną).
Dla układów zamkniętych lecz nieizolowanych prawo zachowania masy spoczynkowej nie jest spełnione, gdyż następuje przepływ energii między układem a otoczeniem, co niesie za sobą zmianę masy spoczynkowej układu[6].
Jednakże podczas reakcji chemicznych wymieniane ilości energii są na tyle małe, że zmiana masy układu nie jest wykrywalna standardowymi metodami, stąd przyjmuje się stałość masy układu reakcyjnego.
Przemiana 1 g masy (energii) spoczynkowej na energię kinetyczną daje energię Δm·c2 = 9·1010 kJ. Trudny do zmierzenia deficyt masy rzędu 0,000001 (10-6) jednostki masy atomowej odpowiada ok. 90 MJ/mol czyli 90000 kJ/mol, a więc około 100 do 1000 razy więcej niż energia typowej reakcji chemicznej.
Odmienna interpretacja[edytuj]
Niektórzy fizycy sądzą, że, by można było stwierdzać "zachowanie masy", nie wystarczy pozostawanie jej stałą w układzie izolowanym, ale konieczna jest jej addytywność - musi zachowywać się suma mas spoczynkowych składników układu (tak rozumiał je Newton)[8]. Takie definiowanie prawa zachowania masy prowadzi ich do wniosku, że według fizyki współczesnej "masa spoczynkowa nie jest zachowana, nie istnieje zasada zachowania masy spoczynkowej"[9].
Przypisy
- ↑ Słowo "umrzeć" należy tu rozumieć w sensie zginięcia bez śladu. Zbigniew Płochocki "Atomistyka współczesna. Cz. 1 Historia atomu i elementy mechaniki kwantowej" Warszawa 1986, Wyd. 2 ISBN 83-02-02340-X str. 10
- ↑ "Miarą materii jest jej ilość wynikająca z jej gęstości i objętości razem wziętych". "Tę właśnie ilość materii mam zwykle w dalszym ciągu na myśli mówiąc ciało lub jego masa." (cyt. za Fridrich S. Zawielski "Masa w fizycznym obrazie świata" Warszawa 1979, przekład Zbigniew Płochocki ISBN 83-214-0041-8 str. 68)
- ↑ K. M. Pazdro, Chemia dla kandydatów na wyższe uczelnie, 1980, s. 14
- ↑ 4,0 4,1 4,2 K.-H. Lautenschlaeger, W. Schroeter, A. Wenninger, Nowoczesne kompendium chemii, 2007, s. 15
- ↑ W. A. Ugarow, Szczególna teoria względności, 1985, s. 267
- ↑ 6,0 6,1 6,2 E. F. Taylor, J. A. Wheeler, Fizyka czasoprzestrzeni, 1975, s. 195
- ↑ W. A. Ugarow, Szczególna teoria względności, 1985, s. 136
- ↑ A. K. Wróblewski, J. A. Zakrzewski, Wstęp do fizyki t. 1, 1984, s. 495
- ↑ A. K. Wróblewski, J. A. Zakrzewski, Wstęp do fizyki t. 1, 1984, s. 490
