Закон за запазване на химията на масата. Същността на химичната реакция

Масата на веществата, влизащи в химическа реакция, е равна на масата на веществата, образувани в резултат на реакцията.

Законът за запазване на масата е частен случай на общия закон на природата - законът за запазване на материята и енергията. Въз основа на този закон химичните реакции могат да бъдат представени с помощта на химични уравнения, като се използват химични формули на вещества и стехиометрични коефициенти, които отразяват относителните количества (брой молове) на веществата, участващи в реакцията.

Например реакцията на изгаряне на метан се записва по следния начин:

Закон за запазване на масата на веществата

(М. В. Ломоносов, 1748; А. Лавоазие, 1789)

Масата на всички вещества, участващи в химична реакция, е равна на масата на всички продукти на реакцията.

Атомно-молекулярната теория обяснява този закон по следния начин: в резултат на химични реакции атомите не изчезват и не се появяват, а се извършва тяхното пренареждане (т.е. химическата трансформация е процес на разкъсване на едни връзки между атомите и образуване на други, като в резултат на което от първоначалните молекули се получават вещества, молекули на реакционни продукти). Тъй като броят на атомите преди и след реакцията остава непроменен, тяхната обща маса също не трябва да се променя. Масата се разбира като количество, характеризиращо количеството материя.

В началото на 20 век формулировката на закона за запазване на масата е преразгледана във връзка с появата на теорията на относителността (А. Айнщайн, 1905 г.), според която масата на тялото зависи от неговата скорост и следователно характеризира не само количеството материя, но и нейното движение. Енергията E, получена от едно тяло, е свързана с увеличаването на масата му m чрез връзката E = m c 2, където c е скоростта на светлината. Това съотношение не се използва при химични реакции, т.к 1 kJ енергия съответства на промяна в масата с ~10 -11 g и m практически не може да бъде измерен. При ядрени реакции, където E е ~10 6 пъти по-голямо, отколкото при химични реакции, m трябва да се вземе предвид.

Въз основа на закона за запазване на масата е възможно да се съставят уравнения на химичните реакции и да се правят изчисления с тях. Той е в основата на количествения химичен анализ.

Закон за постоянството на състава

Материали от Wikipedia - свободната енциклопедия

Закон за постоянството на състава ( J.L. Пруст, 1801 -1808 г.) - всяко специфично химически чисто съединение, независимо от метода на получаването му, се състои от същото химически елементи, и съотношенията на техните маси са постоянни, и относителни числатехен атомисе изразяват като цели числа. Това е един от основните закони химия.

Законът за постоянство на състава не е изпълнен за Бертолид(съединения с променлив състав). Въпреки това, за по-голяма простота, съставът на много Бертолиди е написан като постоянен. Например композиция железен (II) оксидзаписано като FeO (вместо по-точната формула Fe 1-x O).

ЗАКОН ЗА ПОСТОЯННИЯ СЪСТАВ

Според закона за постоянството на състава всяко чисто вещество има постоянен състав, независимо от метода на получаването му. И така, калциевият оксид може да се получи по следните начини:

Независимо от това как се получава веществото CaO, то има постоянен състав: един калциев атом и един кислороден атом образуват молекулата на калциевия оксид CaO.

Определете моларната маса на CaO:

Определяме масовата част на Ca по формулата:

Заключение: В химически чист оксид масовата част на калция винаги е 71,4%, а на кислорода 28,6%.

Закон на кратните

Законът за множеството съотношения е един от стехиометричензакони химия: ако две вещества (простоили комплекс) образуват повече от едно съединение едно с друго, тогава масите на едно вещество към едно и същата маса на друго вещество са свързани като цели числа, обикновено малки.

Закон за запазване на масата и енергията

След доказването на съществуването на атомите и молекулите, най-важното откритие на атомно-молекулярната теория е законът за запазване на масата, който е формулиран като философска концепция от великия руски учен Михаил Василиевич Ломоносов (1711-1765) през 1748 г. и потвърден експериментално от самия него през 1756 г. и независимо от него от френския химик А. Л. Лавоазие през 1789 г.

Масата на всички вещества, участващи в химична реакция, е равна на масата на всички продукти на реакцията.

Експериментите за изгаряне на вещества, проведени преди Ломоносов, предполагат, че масата на веществата не се запазва по време на реакцията. При нагряване във въздуха живакът се превръща в червена скала, чиято маса е по-голяма от масата на метала. Масата на пепелта, образувана по време на изгарянето на дървесината, напротив, винаги е по-малка от масата на първоначалното вещество.

Ломоносов проведе прост експеримент, който показа, че изгарянето на метал е реакция на добавяне и увеличаването на масата на метала се дължи на добавянето на част от въздуха. Той калцинира метали в запечатан стъклен съд и установи, че масата на съда не се променя, въпреки че е настъпила химическа реакция. След като съдът беше отворен, въздухът нахлу и масата на съда се увеличи. Така при внимателно измерване на масата на всички участници в реакцията се оказва, че масата на веществата по време на химическа реакция се запазва. Законът за запазване на масата беше от голямо значение за атомно-молекулярната теория. Той потвърди, че атомите са неделими и не се променят по време на химични реакции. Молекулите обменят атоми по време на реакция, но общият брой на атомите от всеки тип не се променя и следователно общата маса на веществата по време на реакцията се запазва.

Законът за запазване на масата е частен случай на общ закон на природата - законът за запазване на енергията, който гласи, че енергията на изолирана система е постоянна. Енергията е мярка за движението и взаимодействието на различни видове материя. По време на каквито и да било процеси в изолирана система енергията нито се произвежда, нито се унищожава, тя може само да преминава от една форма в друга.

Една форма на енергия е така наречената енергия на покой, която е свързана с масата чрез връзката на Айнщайн

където c е скоростта на светлината във вакуум (c = 3,108 m/s). Тази връзка показва, че масата може да се преобразува в енергия и обратно. Точно това се случва при всички ядрени реакции и следователно законът за запазване на масата в ядрените процеси е нарушен. Въпреки това, законът за запазване на енергията остава в сила в този случай, ако вземем предвид енергията на покой.

При химичните реакции промяната в масата, причинена от освобождаването или поглъщането на енергия, е много малка. Типичният топлинен ефект на химическа реакция по големина е 100 kJ/mol. Нека изчислим как се променя масата:

∆m = ∆E/s2 = 105 / (3 108)2 ~ 10-12 kg/mol = 10-9 g/mol.

Примери за решаване на проблеми

1. Определете масата на натриев йодид NaI с количество вещество от 0,6 mol.

Дадено е: ν(NaI)= 0,6 mol.

Намерете: m(NaI) =?

Определете масата на NaI:

Отговор: 90 гр.

2. Определете количеството атомен бор, съдържащ се в натриев тетраборат Na 2 B 4 O 7 с тегло 40,4 g.

Дадено е: m(Na 2 B 4 O 7) = 40,4 g.

Намерете: ν(B)=?

Решение. Моларната маса на натриевия тетраборат е 202 g/mol. Определете количеството вещество Na 2 B 4 O 7:

ν(Na 2 B 4 O 7) = m (Na 2 B 4 O 7)/ M (Na 2 B 4 O 7) = 40,4/202 = 0,2 mol.

Спомнете си, че 1 мол молекула натриев тетраборат съдържа 2 мола натриеви атоми, 4 мола борни атоми и 7 мола кислородни атоми (вижте формулата на натриев тетраборат). Тогава количеството атомно борно вещество е равно на:

ν(B)= 4 ν (Na 2 B 4 O 7) = 4 0,2 = 0,8 mol.

Отговор: 0,8 mol

3. Каква маса фосфор трябва да се изгори, за да се получи фосфорен оксид (V) с тегло 7,1 g?

Дадено е: m(P 2 O 5) = 7,1 g.

Намерете: m(P) =?

Решение: запишете уравнението за реакцията на горене на фосфора и подредете стехиометричните коефициенти.

4P+ 5O 2 = 2P 2 O 5

Определете количеството вещество P 2 O 5 в резултат на реакцията.

ν(P 2 O 5) = m(P 2 O 5)/ M(P 2 O 5) = 7,1/142 = 0,05 mol.

От уравнението на реакцията следва, че ν(P 2 O 5) = 2 ν(P), следователно количеството фосфор, необходимо в реакцията, е равно на:

ν(P 2 O 5)= 2 ν(P) = 2 0,05= 0,1 mol.

От тук намираме масата на фосфора:

m(P) = ν(P) M(P) = 0,1 31 = 3,1 g.

Отговор: 3,1 g.

4. Каква маса амониев хлорид се образува, когато хлороводородът с тегло 7,3 g реагира с амоняк с тегло 5,1 g? Кой газ ще остане в излишък? Определете масата на излишъка.

Дадено: m(HCl)=7,3 g; m(NH3)=5.1 g.

Намерете: m(NH 4 Cl) =? m(излишък) =?

Решение: запишете уравнението на реакцията.

HCl + NH3 = NH4Cl

Тази задача е за „излишък“ и „недостиг“. Изчисляваме количествата хлороводород и амоняк и определяме кой газ е в излишък.

закон за запазване на масата на химичния атом

ν(HCl) = m(HCl)/ M(HCl) = 7,3/36,5 = 0,2 mol;

ν(NH3) = m(NH3)/ M(NH3) = 5.1/17 = 0.3 mol.

Амонякът е в излишък, така че изчисляваме въз основа на дефицита, т.е. за хлороводород. От уравнението на реакцията следва, че ν(HCl) = ν(NH 4 Cl) = 0,2 mol. Определете масата на амониевия хлорид.

m(NH 4 Cl) = ν(NH 4 Cl) М(NH 4 Cl) = 0.2 53.5 = 10.7 g.

Установихме, че амонякът е в излишък (по отношение на количеството вещество, излишъкът е 0,1 mol). Нека изчислим масата на излишния амоняк.

m(NH3) = ν(NH3) M(NH3) = 0,1 17 = 1,7 g.

Отговор: 1,7 g.

5. Каква е масата на 12 мола неотпадък от алуминий?

Дадено е: ν(AL(NO3)3)= 12 mol

Намерете: m (AL(NO3)3)=?

Разтвор: Mr (AL(NO3)3= 27+14*3+16*9=27+42+144=213 g/mol

m=M* ν 213*12=2556g

Отговор: 2556g

6. колко мола магнезиев карбонат има в 64g. Магнезиев карбонат?

Дадено е: m(Mg Co3)=64

Намерете: ν(Mg Co3)=?

Разтвор: Mr(Mg Co3)=24+12+16*3=36+48=84 g/mol

ν =m/M 64/84=0.76 mol

Отговор: 0,76 mol

7. Колко мола има в 420g. FeO?

Дадено е: m(FeO)=420g.

Намерете: ν(FeO)=?

Решение: Mr(FeO)=56+16=72

ν =m/M 420/72=5.8 mol

Отговор: 5,8 mol

8. Каква е масата на готварската сол в 2,5 мола от веществото?

Дадено е: ν(NaCl)=2,5 mol

Намерете: m(NaCl)=?

Решение: Mr(NaCl)=23+35=58

m=M* ν 58*2.5=145g.

Отговор: 145гр.

9. Колко мола има в 250 g ZnO?

Дадено е: m(ZnO)=250g

Намерете: ν(ZnO)=?

Разтвор: (ZnO)=65+16=81 g/mol

ν =m/M 250/81=3

Отговор: 3 мола

10. Определете масата на натриев йодид NaI?

Дадено е: ν(NaI)= 0,6 mol.

Намерете: m(NaI) =?

Решение. Моларната маса на натриевия йодид е:

M(NaI) = M(Na) + M(I) = 23 + 127 = 150 g/mol

Определете масата на NaI:

m(NaI) = ν(NaI) M(NaI) = 0,6 150 = 90 g.

Отговор: 90 гр

И енергията не се запазва поотделно, а заедно: вместо два очевидно различни закона за запазване на Нютоновата физика, един действа в релативистката физика - комбинираният закон за запазване на масата и енергията. Айнщайн дава първия пример за трансформации на маса и енергия през същата 1905 г. Той обсъжда излъчването на електромагнитни вълни от тялото и се смяташе, че вълните напускат тялото симетрично в...

Няколко тела взаимодействат помежду си само чрез гравитационни и еластични сили и не действат външни сили, тогава при всяко взаимодействие на телата сумата от кинетичната и потенциалната енергия на телата остава постоянна. Това твърдение се нарича закон за запазване на енергията в механичните процеси. Сумата от кинетичната и потенциалната енергия на телата се нарича пълна механична енергия. Ето защо...

Ново направление на изследване - химическата физика, междинна дисциплина между физиката и химията. 4. Замърсяване на околната среда. Атмосфера, вода, почва, храна Най-разпространено и значимо е химическото замърсяване на околната среда с необичайни за нея вещества с химичен характер. Сред тях са газообразни и аерозолни замърсители от промишлен и битов произход. Прогресира и...

Пространството следва основен закон на природата - законът за запазване на ъгловия импулс: ъгловият импулс на затворена система се запазва, тоест не се променя с времето. Симетрия и процес на познание Връзката между симетрията на пространството и законите за запазване е установена от немския математик Еми Ньотер (1882-1935). Тя формулира и доказва основната теорема на математическата физика...

Законът за запазване на масата на веществата е един от най-важните закони на химията. Открит е от М. В. Ломоносов, а по-късно е потвърден експериментално от А. Лавоазие. И така, каква е същността на този закон?

История

Законът за запазване на масата на веществата е формулиран за първи път от М. В. Ломоносов през 1748 г. и го потвърждава експериментално, като се използва примерът за изпичане на метали в запечатани съдове през 1756 г. Ломоносов свързва закона за запазване на масата на веществата със закона за запазване на енергията (количеството на движение). Той разглежда тези закони в единство като универсален закон на природата.

Ориз. 1. М. В. Ломоносов.

Но още преди Ломоносов, преди повече от 20 века, древногръцкият учен Демокрит приема, че всичко живо и неживо се състои от невидими частици. по-късно през 17 век тези предположения са потвърдени от Р. Бойл. Той провежда експерименти с метал и дърво и открива, че теглото на метала се увеличава след нагряване, а теглото на пепелта, напротив, намалява в сравнение с дървото.

Независимо от М. В. Ломоносов, законът за запазване на масата на веществото е установен през 1789 г. от френския химик А. Лавоазие, който показва, че по време на химични реакции се запазва не само общата маса на веществата, но и масата на всяко от елементи, които изграждат взаимодействащите вещества.

Възгледите на Ломоносов и Лавоазие са потвърдени от съвременната наука. През 1905 г. А. Айнщайн показа, че има връзка между масата на тялото (m) и неговата енергия (E), изразена чрез уравнението:

където c е скоростта на светлината във вакуум.

Ориз. 2. Алберт Айнщайн.

По този начин законът за запазване на масата осигурява материална основа за съставяне на уравнения на химичните реакции.

Същността на закона за запазване на масата на материята

Законът за запазване на масата на веществото е следният: масата на веществата, влизащи в химическа реакция, е равна на масата на веществата, образувани в резултат на реакцията.

Ориз. 3. Закон за запазване на масата на материята.

Когато пишете уравнения за химични реакции, трябва да гарантирате съответствие с този закон. Броят на атомите на даден елемент в лявата и дясната страна на реакциите трябва да бъде еднакъв, тъй като атомните частици при химически трансформации са неделими и не изчезват никъде, а само преминават от едно вещество в друго. Същността на химическата реакция е разкъсването на едни връзки и образуването на други връзки. Тъй като тези процеси са свързани с разхода и производството на енергия, в реакциите може да се постави знак за равенство, ако се вземат предвид енергийните фактори, условията на реакцията и агрегатните състояния на веществата.

Много често знакът за равенство, особено при неорганични реакции, се поставя, без да се вземат предвид необходимите фактори, като се прави опростена нотация. При изравняване на коефициентите първо изравняват броя на металните атоми, след това на неметала, след това на водорода и накрая проверяват за кислорода.

Какво научихме?

Законът за запазване на масата на веществото се изучава в училище в 8 клас по химия, тъй като разбирането на неговата същност е необходимо за правилното изготвяне на реакционни уравнения. Фактът, че всяка материя на земята се състои от невидими частици, беше предложен от древногръцкия учен Демокрит, а по-съвременните му последователи Ломоносов, Лавоазие, Айнщайн доказаха това експериментално.

Тест по темата

Оценка на доклада

Среден рейтинг: 4.1. Общо получени оценки: 162.

Масата на всички вещества, участващи в химична реакция, е равна на масата на всички продукти на реакцията.

Една форма на енергия е така наречената енергия на покой, която е свързана с масата чрез връзката на Айнщайн

∆m = ∆E/s2 = 105 / (3 108)2 ~ 10-12 kg/mol = 10-9 g/mol.

Примери за решаване на проблеми

1 .Определете масата на натриев йодид NaI с количество вещество 0,6 mol.

дадени: ν(NaI)= 0,6 mol.

намирам: m(NaI) =?

Решение

Определете масата на NaI:

Отговор: 90 гр.

2 .Определете количеството атомен бор, съдържащ се в натриев тетраборат Na2 B4 O7 с тегло 40,4 g.

дадени: m(Na2B4O7)=40,4 g.

намирам: ν(B)=?

Решение. Моларната маса на натриевия тетраборат е 202 g/mol. Определете количеството вещество Na2 B4 O7:

ν(Na2 B4 O7) = m(Na2 B4 O7)/ M(Na2 B4 O7) = 40,4/202=0,2 mol.

ν(B)= 4 ν (Na2 B4 O7)=4 0,2 = 0,8 mol.

Отговор: 0,8 mol

3. Каква маса фосфор трябва да се изгори, за да се получи фосфорен оксид (V) с тегло 7,1 g?

дадени: m(P2O5)=7.1 g.

намирам: m(P) =?

Решение: записваме уравнението за реакцията на горене на фосфора и подреждаме стехиометричните коефициенти.

4P+ 5O2 = 2P2 O5

Определете количеството вещество P2 O5, получено при реакцията.

ν(P2 O5) = m(P2 O5)/ М(P2 O5) = 7,1/142 = 0,05 мол.

От уравнението на реакцията следва, че ν(P2 O5) = 2 ν(P), следователно количеството фосфор, необходимо в реакцията, е равно на:

ν(P2 O5)= 2 ν(P) = 2 0,05= 0,1 мол.

От тук намираме масата на фосфора:

m(P) = ν(P) M(P) = 0,1 31 = 3,1 g.

Отговор: 3,1 g.

дадени m(HC1)=7.3 g; m(NH3)=5,1 g.

намирам: m(NH4CI) =? m(излишък) =?

Решение: напишете уравнението на реакцията.

HCl + NH3 = NH4 Cl

закон за запазване на масата на химичния атом

ν(HCl) = m(HCl)/ M(HCl) = 7,3/36,5 = 0,2 mol;

ν(NH3) = m(NH3)/ М(NH3) = 5,1/ 17 = 0,3 мол.

Амонякът е в излишък, така че изчисляваме въз основа на дефицита, т.е. за хлороводород. От уравнението на реакцията следва, че ν(HCl) = ν(NH4 Cl) = 0,2 mol. Определете масата на амониевия хлорид.

m(NH4 Cl) = ν(NH4 Cl) М(NH4 Cl) = 0.2 53.5 = 10.7 g.

m(NH3) = ν(NH3) М(NH3) = 0.1 17 = 1.7 g.

Отговор: 1,7 g.

5. Каква е масата на 12 мола неотпадък от алуминий?

дадени : ν(AL(NO3)3)= 12 mol

намирам : m (AL(NO3)3)=?

Решение: г-н(AL(NO3)3= 27+14*3+16*9=27+42+144=213 g/mol

m=M* ν 213*12=2556g

Отговор: 2556g

6 .колко мола магнезиев карбонат в 64g. Магнезиев карбонат?

дадени: m(MgCo3)=64

Намирам:ν(MgCo3)=?

Решение: г-н(MgCo3)=24+12+16*3=36+48=84 g/mol

ν =m/M64/84=0.76 mol

Отговор: 0,76 mol

7. Колко мола има в 420g. FeO?

дадени: m(FeO)=420g.

Намирам:ν(FeO)=?

Решение: г-н(FeO)=56+16=72

ν =m/M420/72=5.8 mol

Отговор: 5,8 mol

8 .KakoКаква е масата на трапезната сол в 2,5 мола от веществото?

дадени:ν(NaCl)=2,5 mol

Намирам: m(NaCl)=?

Решение: г-н(NaCl)=23+35=58

m=M* ν 58*2.5=145g.

Отговор: 145гр.

9. Колко мола има в 250 g ZnO?

дадени: m(ZnO)=250g

Намирам:ν(ZnO)=?

Решение:(ZnO)=65+16=81 g/mol

Отговор: 3 мола

10. Определете масата на натриевия йодид NaI?

дадени: ν(NaI)= 0,6 mol.

намирам: m(NaI) =?

Решение. Моларната маса на натриевия йодид е:

M(NaI) = M(Na) + M(I) = 23 + 127 = 150 g/mol

Определете масата на NaI:

m(NaI) = ν(NaI) M(NaI) = 0,6 150 = 90 g.

· Еластичност · Пластичност · Закон на Хук · Реология · Вискоеластичност

Закон за запазване на масата- закон на физиката, според който масата на една физическа система се запазва при всички естествени и изкуствени процеси.

Нищо не може да произлезе от нищото и няма начин това, което съществува, да бъде унищожено.

По-рано „принципът на запазване“ на Емпедокъл е използван от представители на милетската школа за формулиране на теоретични идеи за първичната субстанция, основата на всички неща.

По-късно подобна теза е изразена от Демокрит, Аристотел и Епикур (преразказана от Лукреций Кара). Средновековните учени също не са изразили никакви съмнения относно истинността на този закон. През 1630 г. Жан Рей (1583-1645), лекар от Перигор, пише на Мерсен:

Теглото е толкова тясно свързано със субстанцията на елементите, че, преминавайки от един в друг, те винаги запазват същото тегло.

Всички промени, настъпващи в природата, се случват по такъв начин, че ако нещо се добави към нещо, то се отнема от нещо друго. По този начин, колкото материя се добавя към едно тяло, същото количество се губи от друго, колко часа прекарвам в сън, същото количество отнемам от будност и т.н.

Впоследствие, до създаването на физиката на микросвета, законът за запазване на масата се смяташе за верен и очевиден. Имануел Кант обявява този закон за постулат на естествознанието (1786 г.). Лавоазие в своя „Елементарен учебник по химия“ () дава точна количествена формулировка на закона за запазване на масата на материята, но не го обявява за някакъв нов и важен закон, а просто го споменава мимоходом като добре познат и отдавна установен факт. За химичните реакции Лавоазие формулира закона, както следва:

Нищо не се случва нито в изкуствените процеси, нито в естествените и може да се изложи позицията, че във всяка операция [химическа реакция] има едно и също количество материя преди и след, че качеството и количеството на принципите остават същите, само че настъпиха размествания и прегрупирания. Цялото изкуство да се правят експерименти в химията се основава на това твърдение.

С други думи, масата на затворена физическа система, в която протича химическа реакция, се запазва и сумата от масите на всички вещества, които са влезли в тази реакция, е равна на сумата от масите на всички продукти на реакцията (т.е. тя също е запазена). Масата се счита за добавка.

Сегашно състояние

През 20 век са открити две нови свойства на масата.

(M1) Масата на физически обект зависи от неговата вътрешна енергия (вижте Еквивалентност на маса и енергия). Когато се поглъща външна енергия, масата се увеличава, а когато се губи, тя намалява. От това следва, че масата се запазва само в изолирана система, тоест при липса на обмен на енергия с външната среда. Промяната в масата по време на ядрени реакции е особено забележима. Но дори по време на химични реакции, които са придружени от отделяне (или абсорбция) на топлина, масата не се запазва, въпреки че в този случай дефектът на масата е незначителен. Академик Л. Б. Окун пише:

За да подчертаете, че масата на едно тяло се променя винаги, когато се променя вътрешната му енергия, разгледайте два често срещани примера:
1) когато желязото се нагрява с 200 °, масата му се увеличава с количеството ;
2) когато определено количество лед се превърне напълно във вода.

(М2) Масата не е адитивна величина: масата на една система не е равна на сумата от масите на нейните компоненти. Примери за неадитивност:

Електронът и позитронът, всеки от които има маса, могат да анихилират във фотони, които нямат маса поотделно, а я имат само като система.
Масата на деутрона, състоящ се от един протон и един неутрон, не е равна на сумата от масите на неговите компоненти, тъй като трябва да се вземе предвид енергията на взаимодействие на частиците.
При термоядрени реакции, протичащи вътре в Слънцето, масата на водорода не е равна на масата на получения от него хелий.
Особено ярък пример: масата на протона (≈938 MeV) е няколко десетки пъти по-голяма от масата на съставните му кварки (около 11 MeV).

По този начин, по време на физически процеси, които са придружени от разпадане или синтез на физически структури, сумата от масите на съставните части (компонентите) на системата не се запазва, но се запазва общата маса на тази (изолирана) система:

Масата на системата от фотони в резултат на анихилация е равна на масата на системата, състояща се от анихилиращия електрон и позитрон.
Масата на система, състояща се от дейтрон (като се вземе предвид енергията на свързване) е равна на масата на система, състояща се от един протон и един неутрон поотделно.
Масата на система, състояща се от хелий в резултат на термоядрени реакции, като се вземе предвид освободената енергия, е равна на масата на водорода.

Това означава, че в съвременната физика законът за запазване на масата е тясно свързан със закона за запазване на енергията и се изпълнява със същото ограничение - трябва да се вземе предвид обменът на енергия между системата и външната среда.

В повече детайли

За да обясним по-подробно защо масата в съвременната физика се оказва неадитивна (масата на системата не е равна - най-общо казано - на сумата от масите на компонентите), първо трябва да се отбележи, че под термина теглов съвременната физика Лоренц-инвариантното количество се разбира:

къде е енергията, е инерцията, е скоростта на светлината. И веднага отбелязваме, че този израз е еднакво лесно приложим към точкова безструктурна („елементарна“) частица и към всяка физическа система, като във втория случай енергията и импулсът на системата се изчисляват просто чрез сумиране на енергиите и импулсите на компонентите на системата (енергията и импулсът са адитивни) .

Можете също така да отбележите мимоходом, че векторът на импулс-енергия на системата е 4-вектор, тоест неговите компоненти се трансформират при преход към друга референтна система в съответствие с трансформациите на Лоренц, тъй като нейните членове се трансформират по този начин - 4 -вектори на енергията-импулс на частиците, изграждащи системата. И тъй като масата, определена по-горе, е дължината на този вектор в метриката на Лоренц, тя се оказва инвариантна (инвариантна на Лоренц), тоест не зависи от системата за отчитане, в която се измерва или изчислява.

Освен това имайте предвид, че това е универсална константа, тоест просто число, което никога не се променя, следователно по принцип можете да изберете такава система от мерни единици, така че , и тогава споменатата формула ще бъде по-малко претрупана:

както и други формули, свързани с него (и по-долу за краткост ще използваме точно такава система от единици).

След като вече разгледахме най-на пръв поглед парадоксалния случай на нарушаване на масовата адитивност - случаят, когато система от няколко (за простота ще се ограничим до две) безмасови частици (например фотони) може да има ненулева маса, това е лесно да се види механизмът, който поражда неадитивност на масата.

Нека има два фотона 1 b 2 с противоположни моменти: . Масата на всеки фотон, както е известно, е нула, следователно можем да напишем:

тоест енергията на всеки фотон е равна на модула на неговия импулс. Нека отбележим между другото, че масата е равна на нула поради изваждането на ненулеви количества едно от друго под знака на корена.

Нека сега разгледаме системата от тези два фотона като цяло, като изчислим нейния импулс и енергия. Както виждаме, импулсът на тази система е нула (фотоновите импулси, след като се сумират, са унищожени, тъй като тези фотони летят в противоположни посоки):

Енергията на нашата физическа система ще бъде просто сумата от енергиите на първия и втория фотон:

Е, оттук и масата на системата:

(импулсите бяха унищожени, но енергиите бяха добавени - те не могат да бъдат с различни знаци).

В общия случай всичко се случва подобно на този, най-ясният и прост пример. Най-общо казано, частиците, образуващи система, не е задължително да имат нулеви маси, достатъчно е масите да са малки или поне сравними с енергиите или импулсите и ефектът ще бъде голям или забележим. Също така е ясно, че почти никога няма точна адитивност на масата, с изключение на много специални случаи.

Маса и инерция

Липсата на адитивност на масата изглежда създава трудности. Те обаче са изкупени не само от факта, че масата, определена по този начин (а не по друг начин, например като енергия, разделена на квадрата на скоростта на светлината) се оказва Лоренц-инвариантна, удобна и формално красива величина , но има и физически смисъл, който точно съответства на обичайното класическо разбиране за масата като мярка за инерция.

А именно, за референтната система на покой на физическа система (т.е. тази референтна система, в която импулсът на физическата система е нула) или референтните системи, в които системата на покой се движи бавно (в сравнение със скоростта на светлината), горепосоченото определение за маса

Напълно съответства на класическата Нютонова маса (включена във втория закон на Нютон).

Това може да бъде конкретно илюстрирано чрез разглеждане на система, която отвън (за външни взаимодействия) е обикновено твърдо тяло, но отвътре съдържа бързо движещи се частици. Например, като разгледаме огледална кутия с перфектно отразяващи стени, вътре в която има фотони (електромагнитни вълни).

За простота и по-голяма яснота на ефекта, нека самата кутия е (почти) безтегловна. Тогава, ако, както в примера, обсъден в параграфа по-горе, общият импулс на фотоните вътре в кутията е нула, тогава кутията като цяло ще бъде неподвижна. Освен това, под въздействието на външни сили (например, ако го бутнем), той трябва да се държи като тяло с маса, равна на общата енергия на фотоните вътре, разделена на.

Нека да разгледаме това качествено. Нека бутнем кутията и поради това тя е придобила известна скорост надясно. За простота сега ще говорим само за електромагнитни вълни, движещи се строго надясно и наляво. Електромагнитна вълна, отразена от лявата стена, ще увеличи своята честота (поради ефекта на Доплер) и енергия. Вълна, отразена от дясната стена, напротив, ще намали своята честота и енергия по време на отражение, но общата енергия ще се увеличи, тъй като няма да има пълна компенсация. В резултат на това тялото ще придобие кинетична енергия, равна на (if), което означава, че кутията се държи като класическо тяло с маса. Същият резултат може да се получи (и дори по-лесно) за отражението (отскачането) на бързи релативистични дискретни частици от стените (и за нерелативистките, но в този случай масата просто ще се окаже сбор от масите на частиците, намиращи се в кутията).

Бележки

Литература

Jammer M.Концепцията за маса в класическата и съвременната физика. - М .: Прогрес, 1967. (Препечатка: Editorial URSS, 2003, ISBN 5-354-00363-6)
Окун Л. Б.Понятието маса (Маса, енергия, теория на относителността). Напредък във физическите науки, № 158 (1989).
Спаски B.I.История на физиката. - М.: Висше училище, 1977.
- Том 1: част 1 част 2
- Том 2: част 1 част 2

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е „Законът за запазване на масата“ в други речници:

ЗАКОН ЗА ЗАПАЗВАНЕ НА МАСАТА- основният закон на нерелативистичната Нютонова механика, според който масата на веществото, влизащо в затворена система, или се натрупва в нея, или я напуска, т.е. масата на веществото, влизащо в системата, минус масата, напускаща... ... Екологичен речник

$моб_инфо$