質量守恆定律

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俄國科學家米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫在1756年藉由實驗發現了質量守恆定律,因此確定燃素說是錯誤的[1][2][3]
安托萬-洛朗·德·拉瓦錫發現了質量守恆定律,也帶來許多十九世紀的新發現。約瑟夫·普魯斯特定比定律約翰·道爾頓原子論都是由拉瓦錫的發現而衍生的。拉瓦錫的量化實驗也發現了燃燒和氧氣的關係,否定了以往認知燃燒和燃素有關的理念

質量守恆定律自然界普遍存在的基本定律之一。此定律指出,對於任何物質能量全部轉移的系統來說,系統的質量必須隨著時間的推移保持不變,因為系統質量不能改變,不能增加或消除。因此,質量隨著時間的推移而保持不變。這定律意味著質量既不能被創造也不能被破壞,儘管它可能在空間中重新排列,或者與之相關的實體可能在形式上發生變化,例如在化學反應中,反應前化學成分的質量是等於反應後組分的質量。

因此,在孤立系統中的任何化學反應和低能量熱力學過程期間,反應物或起始材料的總質量必須等於產物的質量。質量守恆的概念在化學力學流體動力學等許多領域得到了廣泛的應用。歷史上,米哈伊爾·羅蒙諾索夫(Mikhail Lomonosov)獨立發現了化學反應中的質量守恆,後來在18世紀晚期被安托萬·拉瓦錫(Antoine Lavoisier)重新發現。從煉金到化學的現代自然科學,這一規律的製定至關重要。

質量的守恆只是近似的,被認為是來自經典力學的一系列假設的一部分。在質量 - 能量等價的原則下,必須對該定律進行修改,使其符合量子力學狹義相對論的規律,即能量和質量形成一個守恆量。對於非常有能量的系統來說,質量守恆是不成立的,核反應和粒子物理學中的粒子 - 反粒子湮滅就是這種情況。

質量在開放系統中通常也不被保存。當各種形式的能源和物質被允許進出系統時就是這種情況。然而,除非涉及放射性或核反應,否則從熱量,機械功或電磁輻射等系統逸出的能量通常太小而不能被測量為系統質量的下降。

對於涉及大引力場的系統,必須考慮廣義相對論,其中質能守恆成為一個更為複雜的概念,受到不同定義的限制,質量和能量也不如嚴格守恆狹義相對論。

化學領域的質量守恆定律[編輯]

質量守恆定律:任何一種化學反應,其反應前後的質量總是不變的。但是,一個物體在作用時需要在密閉的環境下,質量才會相同,若是在大氣中,質量會變重,是因為與空氣結合。

  • 物質不會憑空消失,若反應前後質量減少,代表產生的物質散失在空氣中。
  • 物質不會無中生有,若反應後質量增加,代表外界的物質參與反應。

化學反應因沒有原子變化,質量總是守恆的(無論是動質量還是靜質量)。根據道爾頓的原子說,化學反應只是物質中原子的重新排列,反應前後原子種類及數目不變,又每個原子有固定質量,所以反應前後總質量不變。具體來說,化學反應裡面,物質的元素數目無論在反應前或反應後,都是一樣。化學反應中的質量守恆包括原子守恆電荷守恆元素守恆等幾個方面。

化學領域的質量守恆定律,實際上就是艾薩克·牛頓的"物質不滅定律"[4]

物理學領域的質量守恆定律[編輯]

牛頓力學的質量守恆定律,與化學領域的質量守恆定律是相同的,都可以稱為"靜止質量守恆定律",這個定律在現代物理學體系內不再成立,取而代之的是"運動質量守恆定律",不會混淆時也簡稱"質量守恆定律"。

核反應中由於原子核本身發生了變化,且反應產生的原子核碎片具有極高的速度,因此靜質量是不守恆的,反應前後的質量虧損服從質能方程,這也是核武器的理論原理。但在核反應前後能量守恆,所以其運動質量也是守恆的。在相對論中,(運動)質量守恆和能量守恆可以合併為一個定律。

參見[編輯]

參考[編輯]

  1. ^ Volkenstein, Mikhail V. Entropy and Information illustrated. Springer Science & Business Media. 2009: 20. ISBN 978-3-0346-0078-1.  Extract of page 20
  2. ^ Okuň, Lev Borisovič. Energy and Mass in Relativity Theory. World Scientific. 2009: 253. ISBN 978-981-281-412-8.  Extract of page 253
  3. ^ Lewis, David. Early Russian Organic Chemists and Their Legacy illustrated. Springer Science & Business Media. 2012: 29. ISBN 978-3-642-28219-5.  Extract of page 29
  4. ^ 雖然也稱為質量守恆,但具有不同的本質,物質不滅的本義是物質不會被消滅。核反應中,發生質量虧損,質量轉化為能量,所以物質不滅不再成立。