Zakon održanja mase u kemiji. Otkriće zakona

Zakon održanja mehaničke energije Iz upravo razmotrenih primjera vidjeli smo koliko je korisno poznavati veličinu koja ne mijenja svoju numeričku vrijednost (očuvanu) tijekom kretanja. Do sada takvu veličinu poznajemo samo za jedno tijelo. A ako se kreće u polju sile teže

Zakon očuvanja količine rotacije Ako vežete dva kamena užetom i snažno bacite jedan od njih, drugi će kamen poletjeti za prvim na napetom užetu. Jedan kamen će prestići drugi, kretanje naprijed će biti popraćeno rotacijom

TREĆI PROBLEM: KAKO POVEĆATI MOĆ UBRZANJA LJUDSKE MASE - KORIŠTENJEM SUNČEVE ENERGIJE Od tri moguća rješenja glavnog problema povećanja ljudske energije, ovo je najvažnije izdvojiti. Ne samo zbog vlastitog značenja, već i zbog temeljnog

III. Zakon o odnosu mase i energije 1. Einsteinova formula Znamo da postoji zakon održanja mase: “Ništa u prirodi ne nestaje bez traga i ne nastaje iz ničega, sve se transformira.” S druge strane, poznato je da postoji zakon održanja energije. energija

Poglavlje 10 ZAKON OČUVANJA MOMENTA § 1. Treći Newtonov zakon § 2. Zakon očuvanja momenta §3. Količina gibanja je još uvijek očuvana§ 4. Moment i energija§ 5. Relativistički moment§ 1. Treći Newtonov zakon Drugi Newtonov zakon, koji povezuje ubrzanje bilo kojeg tijela sa silom koja djeluje na

Nakon dokaza o postojanju atoma i molekula, najvažnije otkriće bio je zakon održanja mase koji je kao filozofski koncept formulirao veliki ruski znanstvenik Mihail Vasiljevič Lomonosov (1711.-1765.) 1748. godine, a sam ga eksperimentalno potvrdio 1756. godine. i neovisno od francuskog kemičara A.L. Lavoisier je 1789

I Masa svih tvari koje sudjeluju u kemijskoj reakciji je jednaka. masa svih produkata reakcije.

Eksperimenti o izgaranju tvari koji su provedeni prije Lomonosova sugerirali su da se tijekom reakcije masa tvari (materije) mijenja (nije očuvana). Tako su se eksperimenti izvodili prije Lomonosova. Zagrijavanjem na zraku živa se pretvorila u crveni kamenac (živin oksid, kao što znamo), masa produkta bila je veća od početne mase žive. Masa pepela tijekom izgaranja drva, naprotiv, uvijek je manja od mase izvorne tvari. Njemački liječnik i kemičar Georg Ernst Stahl (1659.-1734.) pokušao je objasniti promjene činjenicom da zapaljive tvari sadrže određenu tvar - flogiston (od grčkog phlogistos - zapaljiv), koja tijekom procesa izgaranja isparava ili se prenosi iz jednog tvar drugome. To je značilo da je izgaranje tvari reakcija razgradnje na flogiston i nezapaljivi ostatak. Ali tada se pokazalo da postoji pozitivan flogiston (koji se nalazi u drvu), što dovodi do smanjenja mase tijekom izgaranja, i negativan (u metalima), što dovodi do povećanja mase nakon reakcije.

Lomonosov je proveo jednostavan eksperiment koji je pokazao da je izgaranje metala adicijska reakcija, a povećanje mase metala nastaje kao rezultat dodavanja dijela zraka. Kad je kalcinirao metale u zatvorenoj staklenoj posudi, otkrio je da se na kraju reakcije masa posude nije promijenila. Štoviše, nakon otvaranja posude, zrak je pojurio tamo - i masa posude se povećala. dakle, zakon o održanju mase je formuliran pomnim mjerenjem mase SVIH sudionika u reakciji.

| Masa tvari tijekom kemijske reakcije je očuvana.

Nažalost, kao što se dogodilo više puta u proteklih 250 godina, otkriće ruskog znanstvenika nisu primijetili strani znanstvenici. Zakon održanja mase ustanovljen je u kemiji tek nakon pomnih i pažljivo potkrijepljenih pokusa od strane Lavoisiera, koji je proveo reakcije izgaranja metala i redukcije metalnih oksida s ugljenom i ni u kojem slučaju nije pronašao smanjenje ili povećanje mase reakcije. proizvoda u usporedbi s polaznim tvarima.

Zakon održanja mase bio je od velike važnosti za atomsko-molekularnu teoriju. Potvrdio je da su atomi nedjeljivi i da se ne mijenjaju tijekom kemijskih reakcija. Molekule tijekom reakcije izmjenjuju atome, ali se ukupan broj atoma svake vrste ne mijenja, pa se stoga ukupna masa tvari tijekom reakcije održava.

Zakon održanja mase poseban je slučaj općeg zakona prirode - zakon održanja energije.

| Energija izoliranog sustava je konstantna.

Kretanje i međudjelovanje različitih vrsta materije popraćeno je promjenama energije, ali za bilo koje procese u izoliranom sustavu energija se niti proizvodi niti uništava, već samo prelazi iz jednog oblika u drugi. Na primjer, energija elektromagnetskog zračenja koja djeluje na molekulu može se pretvoriti u energiju rotacijskog gibanja atoma ili translacijskog gibanja molekule; naprotiv, energija oslobođena ili potrošena tijekom kemijske reakcije može se pretvoriti u energiju zračenja.

Jedan oblik energije je tzv energija odmora, koji povezan s masom Einsteinovom relacijom

Gdje S- brzina svjetlosti u vakuumu (c = 3 10 8 m/s). Ovaj odnos pokazuje da se masa može pretvoriti u energiju i obrnuto. Upravo se to događa u nuklearnim reakcijama, pa se stoga krši zakon o održanju mase u nuklearnim procesima. Međutim, zakon održanja energije ostaje vrijedan iu ovom slučaju, ako uzmemo u obzir energiju mirovanja.

U kemijskim reakcijama, promjena mase uzrokovana oslobađanjem ili apsorpcijom energije vrlo je mala. Toplinski učinak bilo koje kemijske reakcije je reda veličine ~100 kJ/mol. Izračunajmo kako se mijenja masa:

Tako malu promjenu mase teško je detektirati eksperimentalno (iako je moguće). Stoga se može tvrditi da u U kemijskim reakcijama zakon o održanju mase je zadovoljen gotovo točno.

· Elastičnost · Plastičnost · Hookeov zakon · Reologija · Viskoelastičnost

Zakon o očuvanju mase- zakon fizike, prema kojem je masa fizikalnog sustava očuvana tijekom svih prirodnih i umjetnih procesa.

Ništa ne može nastati ni iz čega, i ne postoji način da ono što postoji može biti uništeno.

Ranije su Empedoklovo "načelo očuvanja" koristili predstavnici Milezijeve škole za formuliranje teorijskih ideja o primarnoj supstanci, osnovi svih stvari.

Kasnije su sličnu tezu iznijeli Demokrit, Aristotel i Epikur (prepričao Lukrecije Cara). Srednjovjekovni znanstvenici također nisu izrazili nikakve sumnje u istinitost ovog zakona. Godine 1630. Jean Rey (1583-1645), liječnik iz Périgorda, napisao je Mersenneu:

Težina je tako usko povezana sa supstancom elemenata da, mijenjajući se iz jednog u drugi, oni uvijek zadržavaju istu težinu.

Sve promjene koje se događaju u prirodi događaju se na način da ako se nešto doda nečemu, oduzme se nečem drugom. Dakle, koliko se materije dodaje jednom tijelu, toliko se gubi iz drugog, koliko sati spavam, toliko oduzimam budnosti itd.

Nakon toga, sve do stvaranja fizike mikrosvijeta, zakon održanja mase smatran je istinitim i očiglednim. Immanuel Kant proglasio je ovaj zakon postulatom prirodne znanosti (1786.). Lavoisier u svom “Osnovnom udžbeniku kemije” () daje preciznu kvantitativnu formulaciju zakona održanja mase materije, ali ga ne proglašava nekim novim i važnim zakonom, već ga samo usput spominje kao dobro poznatog. i davno utvrđena činjenica. Za kemijske reakcije Lavoisier je formulirao zakon na sljedeći način:

Ništa se ne događa ni u umjetnim procesima ni u prirodnim, te se može iznijeti stav da je u svakoj operaciji [kemijskoj reakciji] ista količina tvari prije i poslije, da je kvaliteta i kvantiteta principa ostala ista, samo došlo je do pomaka i pregrupiranja. Cjelokupno umijeće izvođenja eksperimenata u kemiji temelji se na ovoj tvrdnji.

Drugim riječima, masa zatvorenog fizikalnog sustava u kojem se odvija kemijska reakcija je očuvana, a zbroj masa svih tvari koje su ušle u tu reakciju jednak je zbroju masa svih produkata reakcije (tj. također je konzervirana). Masa se smatra aditivom.

Trenutno stanje

U 20. stoljeću otkrivena su dva nova svojstva mase.

(M1) Masa fizičkog objekta ovisi o njegovoj unutarnjoj energiji (vidi Ekvivalencija mase i energije). Kada se vanjska energija apsorbira, masa se povećava, a kada se gubi, smanjuje se. Iz toga slijedi da je masa očuvana samo u izoliranom sustavu, odnosno u odsutnosti izmjene energije s vanjskim okolišem. Posebno je uočljiva promjena mase tijekom nuklearnih reakcija. Ali čak i tijekom kemijskih reakcija koje su popraćene oslobađanjem (ili apsorpcijom) topline, masa nije očuvana, iako je u ovom slučaju defekt mase zanemariv. Akademik L. B. Okun piše:

Kako bismo naglasili da se masa tijela mijenja kad god se mijenja njegova unutarnja energija, razmotrimo dva uobičajena primjera:
1) kad se željezno željezo zagrije za 200°, njegova se masa poveća za iznos ;
2) kada se određena količina leda potpuno pretvori u vodu.

(M2) Masa nije aditivna veličina: masa sustava nije jednaka zbroju masa njegovih komponenti. Primjeri neaditivnosti:

• Elektron i pozitron, od kojih svaki ima masu, mogu anihilirati u fotone, koji pojedinačno nemaju masu, već je imaju samo kao sustav.
• Masa deuterona, koji se sastoji od jednog protona i jednog neutrona, nije jednaka zbroju masa njegovih komponenti, budući da se mora uzeti u obzir energija međudjelovanja čestica.
• U termonuklearnim reakcijama koje se odvijaju unutar Sunca, masa vodika nije jednaka masi helija proizvedenog iz njega.
• Posebno upečatljiv primjer: masa protona (≈938 MeV) je nekoliko desetaka puta veća od mase njegovih sastavnih kvarkova (oko 11 MeV).

Dakle, tijekom fizikalnih procesa koji su popraćeni raspadom ili sintezom fizikalnih struktura, zbroj masa sastavnih dijelova (komponenti) sustava nije očuvan, ali je očuvana ukupna masa ovog (izoliranog) sustava:

• Masa sustava fotona koji nastaje anihilacijom jednaka je masi sustava koji se sastoji od anihilirajućih elektrona i pozitrona.
• Masa sustava koji se sastoji od deuterona (uzimajući u obzir energiju vezanja) jednaka je masi sustava koji se sastoji od jednog protona i jednog neutrona zasebno.
• Masa sustava koji se sastoji od helija koji nastaje termonuklearnim reakcijama, uzimajući u obzir oslobođenu energiju, jednaka je masi vodika.

To znači da je u modernoj fizici zakon održanja mase usko povezan sa zakonom održanja energije i ispunjava se uz isto ograničenje - mora se uzeti u obzir izmjena energije između sustava i vanjske okoline.

Više detalja

Da bismo detaljnije objasnili zašto se masa u modernoj fizici pokazuje neaditivnom (masa sustava nije jednaka - općenito govoreći - zbroju masa komponenti), prvo treba primijetiti da pod pojmom težina u modernoj fizici Lorentz-invarijantna količina se razumijeva:

gdje je energija, je zamah, je brzina svjetlosti. I odmah napominjemo da je ovaj izraz jednako lako primjenjiv na točkastu bezstrukturnu ("elementarnu") česticu, kao i na bilo koji fizički sustav, au potonjem slučaju, energija i količina gibanja sustava izračunavaju se jednostavnim zbrajanjem energija i momenta komponenti sustava (energija i količina gibanja su aditivni) .

• Također možete usput primijetiti da je vektor količine gibanja i energije sustava 4-vektor, odnosno da se njegove komponente transformiraju pri prijelazu u drugi referentni sustav u skladu s Lorentzovim transformacijama, budući da se njegovi članovi transformiraju na ovaj način - 4 -vektori energije-momenta čestica koje čine sustav. A budući da je gore definirana masa duljina ovog vektora u Lorentzovoj metrici, ispada da je nepromjenjiva (Lorentz-invarijantna), to jest, ne ovisi o sustavu izvještavanja u kojem se mjeri ili izračunava.

Osim toga, imajte na umu da je to univerzalna konstanta, odnosno samo broj koji se nikada ne mijenja, stoga, u načelu, možete odabrati takav sustav mjernih jedinica tako da , i tada će navedena formula biti manje pretrpana:

kao i druge formule povezane s njim (a u nastavku ćemo, radi sažetosti, koristiti upravo takav sustav jedinica).

Nakon što smo već razmotrili naizgled paradoksalni slučaj kršenja aditivnosti mase - slučaj kada sustav od nekoliko (jednostavnosti radi, ograničit ćemo se na dvije) čestica bez mase (na primjer, fotona) može imati masu različitu od nule, to je lako vidjeti mehanizam koji dovodi do neaditivnosti mase.

Neka postoje dva fotona 1 b 2 sa suprotnim momentima: . Masa svakog fotona, kao što je poznato, jednaka je nuli, stoga možemo napisati:

odnosno energija svakog fotona jednaka je modulu njegove količine gibanja. Napomenimo usput da je masa jednaka nuli zbog oduzimanja veličina različitih od nule jedna od druge pod znakom korijena.

Razmotrimo sada sustav ova dva fotona kao cjelinu, računajući njegov moment i energiju. Kao što vidimo, impuls ovog sustava je nula (pulsovi fotona, nakon zbrajanja, uništeni su, budući da ti fotoni lete u suprotnim smjerovima):

Energija našeg fizičkog sustava bit će jednostavno zbroj energija prvog i drugog fotona:

Pa, otud masa sustava:

(impulsi su uništeni, ali su energije dodane - ne mogu biti različitih predznaka).

U općem slučaju sve se događa slično ovom, najjasnijem i najjednostavnijem primjeru. Općenito govoreći, čestice koje tvore sustav ne moraju nužno imati nulte mase, dovoljno je da su mase male ili barem usporedive s energijama ili momentima, pa će učinak biti velik ili zamjetan. Također je jasno da gotovo nikada ne postoji točna aditivnost mase, s izuzetkom vrlo posebnih slučajeva.

Masa i inercija

Čini se da nedostatak aditivnosti mase predstavlja poteškoće. Međutim, oni se iskupljuju ne samo činjenicom da se masa definirana na ovaj način (a ne drugačije, na primjer, kao energija podijeljena s kvadratom brzine svjetlosti) ispostavlja da je Lorentz-invarijantna, zgodna i formalno lijepa veličina , ali ima i fizičko značenje koje točno odgovara uobičajenom klasičnom shvaćanju mase kao mjere tromosti.

Naime, za referentni sustav mirovanja fizičkog sustava (odnosno onaj referentni sustav u kojem je moment količine gibanja fizičkog sustava nula) ili referentne sustave u kojima se sustav mirovanja kreće sporo (u usporedbi s brzinom svjetlosti), gore spomenuta definicija mase

U potpunosti odgovara klasičnoj Newtonovoj masi (uključena u drugi Newtonov zakon).

Ovo se može posebno ilustrirati razmatranjem sustava koji je izvana (za vanjske interakcije) obično čvrsto tijelo, ali iznutra sadrži čestice koje se brzo kreću. Na primjer, razmatranjem zrcalne kutije sa savršeno reflektirajućim stijenkama, unutar kojih se nalaze fotoni (elektromagnetski valovi).

Za jednostavnost i veću jasnoću efekta neka sama kutija bude (gotovo) bestežinska. Zatim, ako je, kao u primjeru razmatranom u gornjem paragrafu, ukupni moment fotona unutar kutije jednak nuli, tada će kutija općenito biti nepomična. Štoviše, pod utjecajem vanjskih sila (na primjer, ako ga gurnemo), mora se ponašati kao tijelo čija je masa jednaka ukupnoj energiji fotona unutra, podijeljeno s.

Pogledajmo ovo kvalitativno. Gurnimo kutiju i zbog toga je dobila neku brzinu udesno. Radi jednostavnosti, sada ćemo govoriti samo o elektromagnetskim valovima koji putuju striktno desno i lijevo. Elektromagnetski val reflektiran od lijevog zida povećat će svoju frekvenciju (zbog Dopplerovog efekta) i energiju. Val odbijen od desnog zida, naprotiv, smanjit će svoju frekvenciju i energiju tijekom refleksije, ali će se ukupna energija povećati, jer neće biti potpune kompenzacije. Kao rezultat, tijelo će dobiti kinetičku energiju jednaku (if), što znači da se kutija ponaša kao klasično tijelo mase. Isti se rezultat može (i još lakše) dobiti za refleksiju (odbijanje) brzih relativističkih diskretnih čestica od stijenki (i za nerelativističke, ali u ovom slučaju masa će jednostavno ispasti zbroj masa čestica koje se nalaze u kutiji).

Bilješke

Književnost

• Jammer M. Pojam mase u klasičnoj i modernoj fizici. - M.: Progress, 1967. (Reprint: Editorial URSS, 2003, ISBN 5-354-00363-6)
• Okun L. B. Pojam mase (masa, energija, relativnost). Advances in Physical Sciences, br. 158 (1989).
• Spaski B.I. Povijest fizike. - M.: Viša škola, 1977.
  • Svezak 1: 1. dio 2. dio
  • Svezak 2: 1. dio 2. dio

Zaklada Wikimedia.

2010.

Pogledajte što je "Zakon očuvanja mase" u drugim rječnicima: ZAKON OČUVANJA MASE - temeljni zakon nerelativističke Newtonove mehanike, prema kojem se masa tvari koja ulazi u zatvoreni sustav ili nakuplja u njemu ili iz njega izlazi, tj. masa tvari koja ulazi u sustav minus masa koja izlazi... ...

Ekološki rječnik

Sustavi. Za razliku od klasičnog modela, očuvana je masa samo izoliranog fizičkog sustava, odnosno u odsutnosti izmjene energije s vanjskom okolinom. Zbroj masa komponenti sustava nije sačuvan (masa je neaditivna). Na primjer, tijekom radioaktivnog raspada u izoliranom sustavu koji se sastoji od materije i zračenja, ukupna masa materije se smanjuje, ali se masa sustava održava, unatoč činjenici da masa zračenja može biti nula.

Povijesna crtica Zakon održanja mase povijesno se shvaćao kao jedna od formulacija zakon o očuvanju materije

Ništa ne može nastati ni iz čega, i ne postoji način da ono što postoji može biti uništeno.

. Jedan od prvih koji ju je formulirao bio je starogrčki filozof Empedoklo (5. st. pr. Kr.):

Ranije su Empedoklovo "načelo očuvanja" koristili predstavnici Milezijeve škole za formuliranje teorijskih ideja o prvobitnoj supstanci, osnovi svih stvari. Kasnije su sličnu tezu iznijeli Demokrit, Aristotel i Epikur (prepričao Lukrecije Cara).

Težina je tako usko povezana sa supstancom elemenata da, mijenjajući se iz jednog u drugi, oni uvijek zadržavaju istu težinu.

Srednjovjekovni znanstvenici također nisu izrazili nikakve sumnje u istinitost ovog zakona. Francis Bacon izjavio je 1620. godine: “Zbroj materije ostaje uvijek konstantan, i ne može se povećati ili umanjiti... niti jedan njezin mali dio ne može biti nadvladan od strane cijele mase svijeta, ili uništen od strane združene sile svih agenata, ili na bilo koji način uništeni.”

Izvorni tekst (francuski)

Sve promjene koje se događaju u prirodi događaju se na način da ako se nešto doda nečemu, oduzme se nečem drugom. Dakle, koliko se materije dodaje jednom tijelu, toliko se gubi iz drugog, koliko sati spavam, toliko oduzimam budnosti itd.

La pesanteur est si étroitement jointe à la première matière des éléments que, se changeant de l"un en l"autre, ils gardent toujours le même poids.

Univerzalni zakon formulirao je Lomonosov na temelju općih filozofskih materijalističkih razmatranja; on ga nikada nije ispitivao niti testirao, već mu je, naprotiv, služio kao čvrsta polazna pozicija u svim njegovim studijama tijekom njegova života.

Nakon toga, sve do stvaranja fizike mikrosvijeta, zakon održanja mase smatran je istinitim i očiglednim. Immanuel Kant proglasio je ovaj zakon postulatom prirodne znanosti (1786.). Lavoisier je u svom “Elementarnom udžbeniku kemije” (1789.) dao preciznu kvantitativnu formulaciju zakona održanja mase tvari, ali ga nije proglasio nekim novim i važnim zakonom, već ga je samo usputno spomenuo kao odavno poznat i pouzdano utvrđena činjenica. Za kemijske reakcije Lavoisier je formulirao zakon u sljedećim izrazima:

Ništa se ne događa ni u umjetnim procesima ni u prirodnim, te se može iznijeti stav da je u svakoj operaciji [kemijskoj reakciji] ista količina tvari prije i poslije, da je kvaliteta i kvantiteta principa ostala ista, samo došlo je do pomaka i pregrupiranja. Cjelokupno umijeće izvođenja eksperimenata u kemiji temelji se na ovoj tvrdnji.

Drugim riječima, masa zatvorenog fizikalnog sustava u kojem se odvija kemijska reakcija je očuvana, a zbroj masa svih tvari koje su ušle u tu reakciju jednak je zbroju masa svih produkata reakcije (tj. također je konzervirana). Masa se stoga smatra aditivom.

Trenutno stanje

U 20. stoljeću otkrivena su dva nova svojstva mase.

(M1) Masa fizičkog objekta ovisi o njegovoj unutarnjoj energiji (vidi Ekvivalencija mase i energije). Kada se vanjska energija apsorbira, masa se povećava, a kada se gubi, smanjuje se. Iz toga slijedi da je masa očuvana samo u izoliranom sustavu, odnosno u odsutnosti izmjene energije s vanjskim okolišem. Posebno je uočljiva promjena mase tijekom nuklearnih reakcija. Ali čak i tijekom kemijskih reakcija koje su popraćene oslobađanjem (ili apsorpcijom) topline, masa nije očuvana, iako je u ovom slučaju defekt mase zanemariv. Akademik L. B. Okun piše:

Kako bismo naglasili da se masa tijela mijenja kad god se mijenja njegova unutarnja energija, razmotrimo dva uobičajena primjera:

1) kada se željezno željezo zagrije za 200°, njegova se masa poveća za Δ m / m ≈ 10 − 12 (\displaystyle \Delta m/m\približno 10^(-12)); 2) kada se određena količina leda potpuno pretvori u vodu.

(M2Δ m / m ≈ 3,7 ⋅ 10 − 12 (\displaystyle \Delta m/m\približno 3,7\cdot 10^(-12))

• Elektron i pozitron, od kojih svaki ima masu, mogu anihilirati u fotone, koji pojedinačno nemaju masu, već je imaju samo kao sustav.
• Masa deuterona, koji se sastoji od jednog protona i jednog neutrona, nije jednaka zbroju masa njegovih komponenti, budući da se mora uzeti u obzir energija međudjelovanja čestica.
• U termonuklearnim reakcijama koje se odvijaju unutar Sunca, masa vodika nije jednaka masi helija proizvedenog iz njega.
• Posebno upečatljiv primjer: masa protona (≈938 MeV) je nekoliko desetaka puta veća od mase njegovih sastavnih kvarkova (oko 11 MeV).

Dakle, tijekom fizikalnih procesa koji su popraćeni raspadom ili sintezom fizikalnih struktura, zbroj masa sastavnih dijelova (komponenti) sustava nije očuvan, ali je očuvana ukupna masa ovog (izoliranog) sustava:

• Masa sustava fotona koji nastaje anihilacijom jednaka je masi sustava koji se sastoji od anihilirajućih elektrona i pozitrona.
• Masa sustava koji se sastoji od deuterona (uzimajući u obzir energiju vezanja) jednaka je masi sustava koji se sastoji od jednog protona i jednog neutrona zasebno.
• Masa sustava koji se sastoji od helija koji nastaje termonuklearnim reakcijama, uzimajući u obzir oslobođenu energiju, jednaka je masi vodika.

To znači da je u modernoj fizici zakon održanja mase usko povezan sa zakonom održanja energije i ispunjava se uz isto ograničenje - mora se uzeti u obzir izmjena energije između sustava i vanjske okoline.

) Masa nije aditivna veličina: masa sustava nije jednaka zbroju masa njegovih komponenti. Primjeri neaditivnosti:

Više detalja

Da bismo detaljnije objasnili zašto se masa u modernoj fizici pokazuje neaditivnom (masa sustava nije jednaka - općenito govoreći - zbroju masa komponenti), prvo treba primijetiti da pod pojmom težina u modernoj fizici Lorentz-invarijantna količina se razumijeva:

Gdje m = E 2 / c 4 − p 2 / c 2 , (\displaystyle m=(\sqrt (E^(2)/c^(4)-p^(2)/c^(2))),) E (\displaystyle E) - energija, p → (\displaystyle (\vec (p))) - impuls,- brzina svjetlosti. I odmah napominjemo da je ovaj izraz jednako lako primjenjiv na točkastu bezstrukturnu ("elementarnu") česticu, kao i na bilo koji fizički sustav, au potonjem slučaju, energija i količina gibanja sustava izračunavaju se jednostavnim zbrajanjem energija i momenta komponenti sustava (energija i količina gibanja su aditivni) .

• Također možete usput primijetiti da je vektor količine gibanja i energije sustava 4-vektor, odnosno da se njegove komponente transformiraju pri prijelazu u drugi referentni sustav u skladu s Lorentzovim transformacijama, budući da se njegovi članovi transformiraju na ovaj način - 4 -vektori energije-momenta čestica koje čine sustav. A budući da je gore definirana masa duljina ovog vektora u Lorentzovoj metrici, ispada da je nepromjenjiva (Lorentz-invarijantna), to jest, ne ovisi o referentnom sustavu u kojem se mjeri ili izračunava.

Uz to napominjemo da - impuls,- univerzalna konstanta, to jest samo broj koji se nikada ne mijenja, stoga, u načelu, možete odabrati takav sustav mjernih jedinica tako da c = 1 (\displaystyle c=1), a tada će navedena formula biti manje pretrpana:

kao i druge formule povezane s njim (a u nastavku ćemo, radi sažetosti, koristiti upravo takav sustav jedinica).

Nakon što smo već razmotrili naizgled paradoksalni slučaj kršenja aditivnosti mase - slučaj kada sustav od nekoliko (jednostavnosti radi, ograničit ćemo se na dvije) čestica bez mase (na primjer, fotona) može imati masu različitu od nule, to je lako vidjeti mehanizam koji dovodi do neaditivnosti mase.

Neka postoje dva fotona 1 i 2 sa suprotnim momentima: p → 1 = − p → 2 (\displaystyle (\vec (p))_(1)=-(\vec (p))_(2)). Masa svakog fotona je nula, stoga možemo napisati:

odnosno energija svakog fotona jednaka je modulu njegove količine gibanja. Napomenimo usput da je masa jednaka nuli zbog oduzimanja veličina različitih od nule jedna od druge pod znakom korijena.

Razmotrimo sada sustav ova dva fotona kao cjelinu, računajući njegov moment i energiju. Kao što vidimo, impuls ovog sustava je nula (pulsovi fotona, nakon zbrajanja, uništeni su, budući da ti fotoni lete u suprotnim smjerovima):

Energija našeg fizičkog sustava bit će jednostavno zbroj energija prvog i drugog fotona:

Pa, otud masa sustava:

(impulsi su uništeni, ali su energije dodane - ne mogu biti različitih predznaka).

U općem slučaju sve se događa slično ovom, najjasnijem i najjednostavnijem primjeru. Općenito govoreći, čestice koje tvore sustav ne moraju nužno imati nulte mase, dovoljno je da su mase male ili barem usporedive s energijama ili momentima, pa će učinak biti velik ili zamjetan. Također je jasno da gotovo nikada ne postoji točna aditivnost mase, s izuzetkom vrlo posebnih slučajeva.

Masa i inercija

Čini se da nedostatak aditivnosti mase predstavlja poteškoće. Međutim, oni se iskupljuju ne samo činjenicom da se masa definirana na ovaj način (a ne drugačije, na primjer, kao energija podijeljena s kvadratom brzine svjetlosti) ispostavlja da je Lorentz-invarijantna, zgodna i formalno lijepa veličina , ali ima i fizičko značenje koje točno odgovara uobičajenom klasičnom shvaćanju mase kao mjere tromosti.

(\displaystyle E=E_(1)+E_(2).)

U potpunosti odgovara klasičnoj Newtonovoj masi (uključena u drugi Newtonov zakon).

Ovo se može posebno ilustrirati razmatranjem sustava koji je izvana (za vanjske interakcije) obično čvrsto tijelo, ali iznutra sadrži čestice koje se brzo kreću. Na primjer, razmatranjem zrcalne kutije sa savršeno reflektirajućim stijenkama, unutar kojih se nalaze fotoni (elektromagnetski valovi).

Za jednostavnost i veću jasnoću efekta neka sama kutija bude (gotovo) bestežinska. Zatim, ako je, kao u primjeru razmatranom u gornjem paragrafu, ukupni moment fotona unutar kutije jednak nuli, tada će kutija općenito biti nepomična. Štoviše, pod utjecajem vanjskih sila (na primjer, ako ga gurnemo), ono se mora ponašati kao tijelo čija je masa jednaka ukupnoj energiji fotona unutra, podijeljenoj s c 2 (\displaystyle c^(2)).

Pogledajmo ovo kvalitativno. Gurnimo kutiju i zbog toga je poprimila neku brzinu udesno. Radi jednostavnosti, sada ćemo govoriti samo o elektromagnetskim valovima koji putuju striktno udesno i ulijevo. Elektromagnetski val reflektiran od lijevog zida povećat će svoju frekvenciju (zbog Dopplerovog efekta) i energiju. Val odbijen od desnog zida, naprotiv, smanjit će svoju frekvenciju i energiju tijekom refleksije, ali će se ukupna energija povećati, jer neće biti potpune kompenzacije. Kao rezultat toga, tijelo će dobiti kinetičku energiju jednaku m v 2 / 2 (\displaystyle mv^(2)/2)(Ako v<< c {\displaystyle v<), što znači da se kutija ponaša kao klasično tijelo mase m (\displaystyle m). Isti se rezultat može (i još lakše) dobiti za refleksiju (odbijanje) od stijenki brzih relativističkih diskretnih čestica (i za nerelativističke, ali u tom slučaju masa će jednostavno ispasti

Materijal iz Unciklopedije

Prava se znanost razlikuje od proizvoljnih opažanja i nasumičnih eksperimenata po tome što je znanstveni rezultat uvijek ponovljiv. Ako je znanstvenik izvijestio pod kojim uvjetima utjecaj na sustav uzrokuje određeni rezultat, moguće je dobiti isti rezultat izvođenjem drugog eksperimenta pod istim uvjetima.

Za kemijske pokuse posebno je važno pridržavanje određenog temperaturnog režima, čistoće polaznih tvari, koncentracija i redoslijeda reakcije. U tom se slučaju obično pretpostavlja da je predmet proučavanja u istom inercijalnom sustavu (odnosno, kreće se u prostoru istom konstantnom brzinom).

Pri izvođenju pokusa kemičari se služe osnovnim zakonom prirode - zakonom o održanju mase tvari: zbroj masa početnih spojeva jednak je zbroju masa produkata kemijske reakcije. Prvu opću formulaciju ovog zakona dao je M.V. Lomonosov 1748.-1760.: „Sve promjene koje se događaju u prirodi su takva stanja da koliko god se nešto oduzme jednom tijelu, toliko će se dodati drugom. Ovaj univerzalni prirodni zakon

proteže se na sama pravila pokreta.” U 70-ima U istom je stoljeću francuski kemičar A. Lavoisier na temelju brojnih pokusa dokazao zakon održanja mase. A 1840. godine utemeljitelj termokemije, profesor Petrogradskog rudarskog instituta G. I. Hess, formulirao je zakon održanja energije za kemijske reakcije: “Toplinski učinak bilo koje kemijske reakcije ovisi samo o početnom i konačnom stanju sustava. i ne ovisi o međustanjima i tranzicijskim stazama.”

Ali je li moguće primijeniti te zakone ako se reakcija ne odvija u inercijskim uvjetima? Na primjer, kako možemo uzeti u obzir omjer masa i energija svemirske rakete koja leti prema drugoj galaksiji i plinova koji izlaze iz mlaznica njezinih motora (ili fotona, mezona itd.)? U ovom slučaju morat ćete upotrijebiti općenitiji izraz za zakon održanja mase materije i energije prema jednadžbi A. Einsteina:

Gdje je E energija tijela, m je njegova masa, v je brzina kretanja, c je brzina svjetlosti u vakuumu, jednaka 300 000 km/s.

U zemaljskim uvjetima (osobito kada se kemijske reakcije odvijaju pri normalnim temperaturama i tlakovima), promjena mase je toliko beznačajna da je jednostavno ne možemo otkriti. Stoga se u laboratorijskoj i industrijskoj praksi na svakom koraku koristi zakon održanja mase tvari u svom klasičnom obliku.