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.
Antyczne początki
edytujZa 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
edytujW 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
edytujZachowanie 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
edytujW 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], np. przez zmniejszenie sumy mas spoczynkowych jego składników i 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
edytujNiektórzy fizycy sądzą, że aby 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
edytujUwagi
edytuj- ↑ Słowo „umrzeć” należy tu rozumieć w sensie zginięcia bez śladu. Por. Płochocki 1986 ↓, s. 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 Zawielski 1979 ↓, s. 68.
Przypisy
edytuj- ↑ Pazdro 1980 ↓, s. 14.
- ↑ a b c Lautenschlaeger, Schroeter i Wenninger 2007 ↓, s. 15.
- ↑ Ugarow 1985 ↓, s. 267.
- ↑ a b c Taylor i Wheeler 1975 ↓, s. 195.
- ↑ Ugarow 1985 ↓, s. 136.
- ↑ Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 495.
- ↑ Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 490.
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. Zbigniew Płochocki (tłum.). Warszawa: 1979. ISBN 83-214-0041-8.