Prawo zachowania masy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Prawo zachowania masyprawo przyrody opisujące zachowanie (pozostawanie stałą) wielkości fizycznejmasy w układzie zamkniętym i układzie izolowanym podczas przemian i oddziaływań fizycznych oraz reakcji chemicznych.

Antyczne początki[edytuj]

Za prekursora tej zasady uznać można starożytnego 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."[a]

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)[b]. 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)"[1] lub:

"Całkowita masa substancji uczestniczących w reakcji chemicznej pozostaje niezmienna"[2]

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"[2].

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[2] – (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[3]:

"Masa spoczynkowa układu nie ulega zmianie"[4].

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[5].

Podczas przemian i oddziaływań fizycznych oraz reakcji chemicznych może zmieniać się struktura masy spoczynkowej układu[4], 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[4].

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)[6]. Takie definiowanie prawa zachowania masy prowadzi ich do wniosku, że według fizyki współczesnej "masa spoczynkowa nie jest zachowana, nie istnieje zasada zachowania masy spoczynkowej"[7].

Zobacz też[edytuj]

Uwagi

  1. Słowo "umrzeć" należy tu rozumieć w sensie zginięcia bez śladu. Por. Płochocki 1986 ↓, s. 10
  2. "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 Zawielski 1979 ↓, s. 68

Przypisy

Bibliografia[edytuj]

  • K.-H. Lautenschlaeger, W. Schroeter, A. Wenninger: Nowoczesne kompendium chemii. 2007.
  • K. M. Pazdro: Chemia dla kandydatów na wyższe uczelnie. 1980.
  • Zbigniew Płochocki: Atomistyka współczesna. Wyd. 2. Cz. 1: Historia atomu i elementy mechaniki kwantowej. Warszawa: 1986. ISBN 83-02-02340-X.
  • E. F. Taylor, J. A. Wheeler: Fizyka czasoprzestrzeni. 1975.
  • W. A. Ugarow: Szczególna teoria względności. 1985.
  • A. K. Wróblewski, J. A. Zakrzewski: Wstęp do fizyki. T. 1. 1984.
  • Fridrich S. Zawielski: Masa w fizycznym obrazie świata. Warszawa: 1979. ISBN 83-214-0041-8.