Contenu
- La loi de la conservation de la masse
- Histoire de la loi de conservation de masse
- Aperçu de la conservation de la masse
- Qu'est-ce qui est "conservé" en sciences physiques?
- Loi de la conservation de la masse: exemple
- Einstein et l'équation masse-énergie
- Masse, énergie et poids dans le monde réel
L'un des grands principes de la physique est qu'un grand nombre de ses propriétés les plus importantes obéissent sans faille à un principe important: dans des conditions faciles à spécifier, elles conservés, ce qui signifie que la quantité totale de ces quantités contenues dans le système que vous avez choisi ne change jamais.
Quatre grandeurs de la physique se caractérisent par l’application de lois de conservation. Ceux-ci sont énergie, élan, moment angulaire et Masse. Les trois premiers sont des quantités souvent spécifiques aux problèmes de mécanique, mais la masse est universelle, et la découverte - ou la démonstration, pour ainsi dire - de la conservation de la masse, tout en confirmant certaines suspicions de longue date dans le monde scientifique, était essentielle pour prouver .
La loi de la conservation de la masse
le loi de conservation de masse déclare que, dans un systeme ferme (y compris l'univers entier), la masse ne peut être ni créée ni détruite par des modifications chimiques ou physiques. En d'autres termes, la masse totale est toujours conservée. La maxime effrontée "Ce qui entre, doit sortir!" semble être un truisme scientifique littéral, car il n’a jamais été démontré que rien ne disparaisse simplement sans aucune trace physique.
Tous les composants de toutes les molécules de chaque cellule cutanée que vous avez perdues, avec leurs atomes d'oxygène, d'hydrogène, d'azote, de soufre et de carbone, existent toujours. Tout comme le spectacle de science fiction mystère Les X-Files déclare à propos de la vérité, toute la masse qui a jamais été "est là-bas quelque part.'
On pourrait l'appeler à la place «loi de la conservation de la matière», car, en l'absence de gravité, les objets particulièrement «massifs» n'ont rien de spécial dans le monde; On en trouvera plus sur cette distinction importante, car sa pertinence est difficile à surestimer.
Histoire de la loi de conservation de masse
La découverte de la loi de conservation de masse a été faite en 1789 par le scientifique français Antoine Lavoisier; d'autres avaient déjà eu l'idée, mais Lavoisier était le premier à le prouver.
À l’époque, une bonne partie de la croyance populaire en la chimie concernant la théorie atomique provenait encore des Grecs de l’Antiquité et, grâce à des idées plus récentes, on pensait qu’il y avait quelque chose à l’intérieur du feuphlogiston") était en fait une substance. Ceci, selon les scientifiques, explique pourquoi un tas de cendres est plus léger que tout ce qui a été brûlé pour produire les cendres.
Lavoisier chauffé oxyde mercurique et a noté que la quantité de produits chimiques diminuée était égale au poids de l'oxygène gazeux libéré dans la réaction chimique.
Avant que les chimistes puissent expliquer les masses d'objets difficiles à suivre, tels que la vapeur d'eau et les gaz à l'état de traces, ils ne pouvaient pas tester correctement les principes de conservation de la matière, même s'ils soupçonnaient de telles lois étaient effectivement appliquées.
Quoi qu’il en soit, cela a conduit Lavoisier à affirmer que la matière doit être conservée dans les réactions chimiques, ce qui signifie que la quantité totale de matière de chaque côté d’une équation chimique est la même. Cela signifie que le nombre total d'atomes (mais pas nécessairement le nombre total de molécules) dans les réactifs doit être égal à la quantité dans les produits, quelle que soit la nature du changement chimique.
Aperçu de la conservation de la masse
Une des difficultés que les gens peuvent avoir avec la loi de conservation de la masse est que les limites de vos sens rendent certains aspects de la loi moins intuitifs.
Par exemple, lorsque vous mangez une livre de nourriture et buvez une livre de liquide, vous pouvez peser la même chose environ six heures plus tard, même si vous n’allez pas à la salle de bain. Cela est dû en partie au fait que les composés carbonés présents dans les aliments sont convertis en dioxyde de carbone (CO2) et expiré progressivement dans la vapeur (généralement invisible) de votre haleine.
En tant que concept de chimie, la loi de la conservation de la masse est essentielle à la compréhension des sciences physiques, y compris la physique. Par exemple, dans un problème de quantité de mouvement lié à une collision, nous pouvons supposer que la masse totale dans le système n’a pas changé, passant de ce qu’elle était avant la collision à quelque chose de différent après la collision car la masse - comme la quantité de mouvement et l’énergie - est conservée.
Qu'est-ce qui est "conservé" en sciences physiques?
le loi de conservation de l'énergie stipule que l'énergie totale d'un système isolé ne change jamais et qu'elle peut être exprimée de différentes manières. L'un d'eux est KE (énergie cinétique) + PE (énergie potentielle) + énergie interne (IE) = une constante. Cette loi découle de la première loi de la thermodynamique et assure que l'énergie, comme la masse, ne peut être ni créée ni détruite.
Élan (mv) et moment angulaire (L = mvr) sont également conservés en physique, et les lois pertinentes déterminent fortement une grande partie du comportement des particules en mécanique analytique classique.
Loi de la conservation de la masse: exemple
Le chauffage du carbonate de calcium, ou CaCO3, produit un composé de calcium tout en libérant un gaz mystérieux. Disons que vous avez 1 kg (1 000 g) de CaCO3et vous découvrez que, lorsque ce dernier est chauffé, il reste 560 grammes de composé de calcium.
Quelle est la composition probable de la substance chimique de calcium restante et quel est le composé libéré sous forme de gaz?
Tout d’abord, s’agissant essentiellement d’un problème de chimie, vous devrez vous référer à un tableau périodique des éléments (voir Ressources pour un exemple).
On vous dit que vous avez cette première quantité de 1000 g de CaCO3. Dans le tableau, vous voyez que les masses moléculaires des atomes constitutifs représentent Ca = 40 g / mol, C = 12 g / mol et O = 16 g / mol, ce qui donne la masse moléculaire totale du carbonate de calcium à 100 g / mol (rappelez-vous qu'il y a trois atomes d'oxygène dans CaCO3). Cependant, vous avez 1 000 g de CaCO3, qui est 10 moles de la substance.
Dans cet exemple, le produit de calcium contient 10 moles d'atomes de Ca; parce que chaque atome de Ca est à 40 g / mol, vous avez donc 400 g de Ca que vous pouvez supposer en toute sécurité après le CaCO3 était chauffé. Pour cet exemple, les 160 g (560 - 400) restants de composé de post-chauffage représentent 10 moles d'atomes d'oxygène. Cela doit laisser 440 g de masse sous forme de gaz libéré.
L'équation équilibrée doit avoir la forme
10 CaCO3 → 10 CaO +?
et le "?" le gaz doit contenir du carbone et de l'oxygène dans une combinaison quelconque; il doit avoir 20 moles d'atomes d'oxygène - vous avez déjà 10 moles d'atomes d'oxygène à la gauche du signe + - et donc 10 moles d'atomes de carbone. Le "?" est CO2. (Dans le monde scientifique actuel, vous avez entendu parler du dioxyde de carbone, faisant de ce problème un exercice banal. Mais pensez à un moment où même les scientifiques ne savaient même pas ce qu'il y avait dans l'air.)
Einstein et l'équation masse-énergie
Les étudiants en physique pourraient être confus par le célèbre conservation de l'équation masse-énergie E = mc2 postulé par Albert Einstein au début des années 1900, il se demandait s’il respectait la loi de la conservation de la masse (ou de l’énergie), puisqu’il semble impliquer que la masse peut être convertie en énergie et inversement.
Aucune loi n'est violée; au lieu de cela, la loi affirme que la masse et l'énergie sont en réalité des formes différentes de la même chose.
C'est un peu comme si on les mesurait dans différentes unités étant donné la situation.
Masse, énergie et poids dans le monde réel
Vous ne pouvez peut-être pas vous empêcher d’assimiler inconsciemment la masse au poids pour les raisons décrites ci-dessus - la masse n’est que le poids lorsque la gravité est au rendez-vous, mais lorsque votre expérience l’est, ne pas présent (quand tu es sur Terre et non dans une chambre d'apesanteur)?
Il est donc difficile de concevoir la matière comme une matière juste, comme de l’énergie en soi, qui obéit à certaines lois et à certains principes fondamentaux.
De même, tout comme l’énergie peut changer de forme entre les types cinétique, potentiel, électrique, thermique et autres, la matière fait la même chose, bien que les différentes formes de la matière s’appellent États: solide, gaz, liquide et plasma.
Si vous pouvez filtrer la façon dont vos propres sens perçoivent les différences entre ces quantités, vous pourrez peut-être comprendre qu'il existe peu de différences réelles en physique.
Etre capable de lier des concepts majeurs dans les "sciences dures" peut sembler ardu au début, mais c'est toujours excitant et enrichissant à la fin.