Войти
Реакция горения метана. Где 4 атома водорода, 4 атома кислорода и 1 атом углерода присутствуют до и после реакции. Общая масса после реакции такая же, как и до реакции. закон сохранения массы или принцип сохранения массы гласит, что для любой система закрыта для всех передач материи и энергии, масса системы должна оставаться постоянной во времени, так как масса системы не может изменяться, поэтому количество не может ни ни добавляться, ни удаляться. Следовательно, количество массы со временем сохраняется.
Закон подразумевает, что масса не может быть ни создана, ни уничтожена, хотя она может быть перегруппирована в пространстве, или связанные с ней сущности могут быть изменены по форме. Например, в химических реакциях масса химических компонентов до реакции равна массе компонентов после реакции. Таким образом, во время любой химической реакции и низкоэнергетических термодинамических процессов в изолированной системе общая масса реагентов или исходных материалов должна быть равна массе продуктов.
Концепция сохранения массы широко используется во многих областях, таких как химия, механика и гидродинамика. Исторически сохранение массы было независимо продемонстрировано в химических реакциях Михаилом Ломоносовым, а позже вновь открыто Антуаном Лавуазье в конце 18 века. Формулировка этого закона имела решающее значение в процессе перехода от алхимии к современному естествознанию химии.
Сохранение массы выполняется приблизительно и считается частью серии предположений, исходящих из классической механики. Закон должен быть изменен, чтобы соответствовать законам квантовой механики и специальной теории относительности в соответствии с принципом эквивалентности массы и энергии, который гласит, что энергия и масса образуют одну сохраняемую величину. Показано, что для очень энергичных систем сохранение только массы не выполняется, как в случае ядерных реакций и аннигиляции частица-античастица в физике частиц.
Масса также обычно не сохраняется в открытых системах. Так обстоит дело, когда различные формы энергии и материи допускаются в систему или из нее. Однако, за исключением случаев радиоактивности или ядерных реакций, количество энергии, выходящей (или поступающей) в такие системы, как тепло, механическая работа или электромагнитная Излучение обычно слишком мало, чтобы его можно было измерить как уменьшение (или увеличение) массы системы.
Для систем, в которых задействованы большие гравитационные поля, должна быть принята во внимание общая теория относительности, где сохранение массы-энергии становится более сложной концепцией, подлежащей другим определениям, и ни масса, ни энергия сохраняется так же строго и просто, как и в специальной теории относительности.
Закон сохранения массы может быть сформулирован в классической механике только тогда, когда масштабы энергии, связанные с изолированной системой, намного меньше, чем 
. Закон может быть сформулирован математически в областях механики жидкости и механика сплошной среды, где сохранение массы обычно равно e x сжат с использованием уравнения неразрывности, заданного в дифференциальной форме as
, где 
где 
Уравнение неразрывности для массы является частью уравнений Эйлера гидродинамики. Многие другие уравнения конвекции-диффузии описывают сохранение и поток массы и вещества в данной системе.
В химии расчет количества реагента и продуктов в химической реакции или стехиометрии основан на принципе сохранение массы. Принцип подразумевает, что во время химической реакции общая масса реагентов равна общей массе продуктов. Например, в следующей реакции
, где одна молекула из метана (CH. 4) и две молекулы кислорода O. 2превращаются в одну молекулу диоксида углерода (CO. 2) и две молекулы воды (H. 2O). Количество молекул в результате реакции может быть получено из принципа сохранения массы, поскольку изначально присутствуют четыре атома водорода, 4 атома кислорода и один атом углерода (а также в конечном состоянии)., то количество образовавшихся молекул воды должно быть ровно две на молекулу производимого углекислого газа.
Многие инженерные проблемы решаются путем отслеживания распределения массы во времени данной системы, эта практика известна как баланс массы.
Русский ученый Михаил Ломоносов экспериментально открыл закон сохранения массы в 1756 году и пришел к выводу, что теория флогистона неверна. 
Открытие закона сохранения Антуаном Лавуазье массы привело к множеству новых открытий в 19 веке. закон определенных пропорций Джозефа Пруста и атомная теория Джона Далтона - ответвления от открытий Антуана Лавуазье. Количественные эксперименты Лавуазье показали, что при горении участвует кислород, а не то, что ранее считалось флогистоном.. Важной идеей древнегреческой философии было то, что «ничего не происходит из ничего ", так что то, что существует сейчас, существовало всегда: никакая новая материя не может возникнуть там, где ее не было раньше. Явное утверждение этого, наряду с дополнительным принципом, что ничто не может превратиться в ничто, можно найти в Эмпедокле (ок. 4 век до н.э.): нет, и это не может быть осуществлено или услышано о том, что должно быть полностью уничтожено. "
Еще один принцип сохранения был сформулирован Эпикуром около 3 века до нашей эры, который, описывая природа Вселенной, писал, что «совокупность вещей всегда была такой, какая она есть сейчас, и всегда будет».
Джайнская философия, некреационистская философия, основанная на учение Махавиры (6 век до н.э.) утверждает, что вселенная и ее составляющие, такие как материя, не могут быть разрушены или созданы. Джайнский текст Таттвартхасутра (2 век н.э.) утверждает, что субстанция постоянна, но ее формы характеризуются созиданием и разрушением. Принцип сохранения материи был также провозглашен Насир ад-Дин ат-Туси (около 13 века нашей эры). Он писал, что «тело материи не может исчезнуть полностью. Оно только меняет свою форму, состояние, состав, цвет и другие свойства и превращается в другую сложную или элементарную материю».
К 18 веку принцип сохранения массы во время химических реакций широко использовался и был важным предположением во время экспериментов, даже до того, как определение было официально установлено, как можно увидеть в работах Джозефа Блэка, Генри Кавендиш и Жан Рей. Первым изложил этот принцип Михаил Ломоносов в 1756 году. Он продемонстрировал это экспериментально и обсуждал этот принцип раньше, в 1748 году, в переписке с Леонардом Эйлером, хотя его претензия на Тема иногда подвергается сомнению. Более изощренная серия экспериментов была позже проведена Антуаном Лавуазье, который высказал свое заключение в 1773 году и популяризировал принцип сохранения массы. Демонстрация принципа привела к устаревшим альтернативным теориям, таким как теория флогистона, которая утверждала, что масса может быть получена или потеряна в горении и тепловых процессах.
Сохранение массы было неясным на протяжении тысячелетий из-за эффекта плавучести атмосферы Земли на вес газов. Например, кусок дерева после обжига весит меньше; это, казалось, предполагало, что часть его массы исчезает, трансформируется или теряется. Это не было опровергнуто до тех пор, пока не были проведены тщательные эксперименты, в которых химические реакции, такие как ржавление, происходили в запечатанных стеклянных ампулах; Было установлено, что химическая реакция не изменила вес герметичного контейнера и его содержимого. Взвешивание газов с помощью весов было невозможно до изобретения вакуумного насоса в 17 веке.
Когда поняли, сохранение массы имело огромное значение в переходе от алхимии к современной химии. Когда первые химики поняли, что химические вещества никогда не исчезают, а только превращаются в другие вещества с таким же весом, эти ученые впервые смогли приступить к количественным исследованиям превращений веществ. Идея сохранения массы плюс предположение о том, что одни «элементарные вещества» также не могут быть преобразованы в другие посредством химических реакций, в свою очередь, привели к пониманию химических элементов, а также к идее, что все химические процессы а превращения (такие как горение и метаболические реакции) - это реакции между неизменными количествами или массами этих химических элементов.
Вслед за новаторской работой Лавуазье исчерпывающие эксперименты Жана Стаса подтвердили непротиворечивость этого закона в химических реакциях, даже если они проводились с другими намерениями. Его исследование показало, что при определенных реакциях потеря или выгода не могли превышать от 2 до 4 частей на 100 000. Разница в точности, которой добивались и достигли Лавуазье, с одной стороны, и Морли и Стас, с другой, огромна.
Закон Сохранение массы было поставлено под сомнение с появлением специальной теории относительности. В одной из статей Аннуса Мирабилис из Альберта Эйнштейна в 1905 году он предложил эквивалентность массы и энергии. Эта теория подразумевала несколько утверждений, таких как идея, что внутренняя энергия системы может вносить вклад в массу всей системы или что масса может быть преобразована в электромагнитное излучение. Однако, как указал Макс Планк, изменение массы в результате извлечения или добавления химической энергии, как предсказывает теория Эйнштейна, настолько мало, что его невозможно измерить с помощью имеющихся инструментов и не могут быть представлены в качестве проверки специальной теории относительности. Эйнштейн предположил, что энергии, связанные с недавно обнаруженной радиоактивностью, были достаточно значительными по сравнению с массой производящих их систем, чтобы можно было измерить их изменение массы, как только энергия реакции была удалена из система. Позже это действительно оказалось возможным, хотя в конечном итоге это была первая реакция искусственной ядерной трансмутации в 1932 году, продемонстрированная Кокрофтом и Уолтоном, которая доказала первую успешную проверку теории Эйнштейна. относительно потери массы с потерей энергии.
Закон сохранения массы и аналогичный закон сохранения энергии были окончательно отменены более общим принципом, известным как эквивалентность массы и энергии. Специальная теория относительности также переопределяет понятия массы и энергии, которые могут использоваться как взаимозаменяемые и относиться к системе отсчета. Для согласованности необходимо было дать несколько определений, таких как масса покоя частицы (масса в системе покоя частицы) и релятивистская масса (в другой системе координат). Последний термин обычно используется реже.
В специальной теории относительности сохранение массы не применяется, если система открыта и энергия ускользает. Однако он продолжает применяться к полностью закрытым (изолированным) системам. Если энергия не может покинуть систему, ее масса не может уменьшиться. В теории относительности, пока в системе сохраняется любой тип энергии, эта энергия проявляет массу.
Кроме того, массу необходимо отличать от материи, поскольку материя может не сохраняться идеально в изолированных системах, даже если масса всегда сохраняется в таких системах. Однако материя в химии настолько почти сохранена, что нарушения сохранения материи не измерялись до ядерной эры, и предположение о сохранении материи остается важной практической концепцией в большинстве систем в химии и других исследованиях, которые не связаны с высокими энергиями, типичными для радиоактивность и ядерные реакции.
Изменение массы некоторых видов открытых систем, где атомы или массивные частицы не позволяют выходить, но другим типам энергии (например, свету или теплу) разрешается входить или выходить, оставалось незамеченным в 19 веке, потому что изменение массы, связанное с добавлением или потерей небольших количеств тепловой или лучистой энергии в химических реакциях очень мало. (Теоретически масса вообще не изменилась бы для экспериментов, проводимых в изолированных системах, где тепло и работа не допускались внутрь или наружу.)
сохранение релятивистской массы подразумевает точку зрения одного наблюдателя (или взгляд из одной инерциальной системы отсчета), поскольку изменение инерциальной системы отсчета может привести к изменению полной энергии (релятивистской энергии) для систем, и эта величина определяет релятивистскую массу.
Принцип, согласно которому масса системы частиц должна быть равна сумме их масс покоя, даже если он верен в классической физике, может быть ложным в специальной теории относительности. Причина того, что массы покоя не могут быть просто добавлены, заключается в том, что при этом не принимаются во внимание другие формы энергии, такие как кинетическая и потенциальная энергия, а также безмассовые частицы, такие как фотоны, все из которых могут (или не могут) влиять на общую массу системы.
Для движения массивных частиц в системе изучение масс покоя различных частиц также сводится к введению множества различных инерциальных систем наблюдения (что запрещено, если полная энергия и импульс системы должны быть сохранены), а также когда в системе покоя одной частицы эта процедура игнорирует импульсы других частиц, которые влияют на массу системы, если другие частицы движутся в этой системе.
Для особого типа массы, называемого инвариантной массой, изменение инерциальной системы наблюдения для всей замкнутой системы не влияет на меру инвариантной массы системы, которая остается как сохраненной. и инвариантный (неизменный) даже для разных наблюдателей, наблюдающих за всей системой. Инвариантная масса - это системная комбинация энергии и импульса, которая инвариантна для любого наблюдателя, потому что в любой инерциальной системе отсчета энергии и импульсы различных частиц всегда складываются в одно и то же количество (импульс может быть отрицательным, поэтому сложение составляет вычитание). Инвариантная масса - это релятивистская масса системы, если смотреть в системе координат центра импульса. Это минимальная масса, которую может проявлять система, если смотреть со всех возможных инерциальных систем отсчета.
Сохранение как релятивистской, так и инвариантной массы применимо даже к системам частиц, созданным рождением пар, где энергия для новых частиц может поступать от кинетической энергии других частиц или от одной или нескольких фотоны как часть системы, в которую помимо фотона входят и другие частицы. Опять же, ни релятивистская, ни инвариантная масса полностью замкнутых (то есть изолированных) систем не меняется при создании новых частиц. Однако разные инерционные наблюдатели не согласятся со значением этой сохраняющейся массы, если это релятивистская масса (т. Е. Релятивистская масса сохраняется, но не инвариантна). Однако все наблюдатели соглашаются в значении сохраняемой массы, если измеряемая масса является инвариантной массой (т.е.инвариантная масса сохраняется и инвариантна).
Формула эквивалентности массы и энергии дает другое предсказание в не- изолированных системах, поскольку, если энергия выходит из системы, как релятивистская масса, так и ускользнет и инвариантная масса. В этом случае формула эквивалентности массы и энергии предсказывает, что изменение массы системы связано с изменением ее энергии из-за добавления или вычитания энергии: 
Формула подразумевает, что связанные системы имеют инвариантную массу (массу покоя для системы), меньшую, чем сумма их частей, если энергии связи было позволено покинуть систему после того, как система была связана. Это может происходить путем преобразования потенциальной энергии системы в активную энергию другого вида, например кинетическую энергию или фотоны, которые легко покидают связанную систему. Разница в массах системы, называемая дефектом массы, является мерой энергии связи в связанных системах - другими словами, энергии, необходимой для разрушения системы. Чем больше дефект массы, тем больше энергия связи. Энергия связи (которая сама имеет массу) должна высвобождаться (в виде света или тепла), когда части объединяются, чтобы сформировать связанную систему, и это причина, по которой масса связанной системы уменьшается, когда энергия покидает систему. Полная инвариантная масса фактически сохраняется, когда учитывается масса ускользнувшей энергии связи.
В общей теории относительности общая инвариантная масса фотонов в расширяющемся объеме пространства будет уменьшаться из-за красного смещения такого расширения. Следовательно, сохранение как массы, так и энергии зависит от различных поправок, внесенных в энергию в теории из-за изменяющейся энергии гравитационного потенциала таких систем.
