Закон сохранения массы и энергии: вечные истины природы

Закон сохранения массы и энергии - фундаментальные законы природы, открытие которых потребовало веков наблюдений и экспериментов. Удивительно, что они были сформулированы задолго до появления современной науки.

Первые упоминания закона сохранения массы и энергии в Древней Греции

Первые идеи о сохранении массы вещества при химических реакциях появились еще в Древней Греции. Древнегреческий философ Эмпедокл в V веке до н.э. сформулировал принцип:

Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться.

Этот принцип применялся представителями Милетской школы для объяснения сущности первоосновы мира. Позднее аналогичные идеи высказывали Демокрит, Аристотель, Эпикур и другие:

• Демокрит считал, что вся материя состоит из неделимых частиц-атомов, которые не могут ни создаваться, ни уничтожаться
• Аристотель полагал, что вещество не может возникнуть из ничего или обратиться в ничто

Так зародилась идея о неуничтожимости и несотворимости материи, которая впоследствии трансформировалась в закон сохранения массы.

Формулировка закона сохранения массы М.В. Ломоносовым в 1748 году

Великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов первым четко сформулировал закон сохранения массы веществ в ходе химических реакций. В 1748 году в своих трудах он записал:

Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции.

Это положение имело революционное значение для развития химии. Оно позволило понимать сущность химических превращений и проводить количественные расчеты реакций. Например, по массам исходных веществ можно было рассчитать массу продуктов реакции.

Ломоносов также сформулировал важный вывод из закона сохранения массы:

Сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого.

Это утверждение подчеркивало, что масса вещества не может возникать из ничего или исчезать бесследно. Она лишь переходит от одного тела к другому.

Так Ломоносов впервые ясно сформулировал важнейший закон природы, который впоследствии лег в основу количественной химии.

Уточнение формулировки А. Лавуазье в 1789 году

Французский химик Антуан Лоран Лавуазье внес уточнение в формулировку закона сохранения массы, записав в 1789 году:

Ничто не творится ни в искусственных процессах, ни в природных, и можно выставить положение, что во всякой операции [химической реакции] имеется одинаковое количество материи до и после.

Лавуазье подчеркнул, что общая масса веществ не меняется не только в природных, но и в искусственно созданных человеком условиях. Это доказывало универсальность закона сохранения массы.

Кроме того, Лавуазье сформулировал следствие из закона сохранения массы:

• сумма масс всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна сумме масс всех продуктов этой реакции

Это утверждение позволило развивать количественные расчеты в химии, основанные на законе сохранения массы. Например, по известным массам реагентов можно было вычислять массы или количества продуктов реакции.

Таким образом, Лавуазье значительно продвинул понимание закона сохранения массы и его применение в химии.

Экспериментальное подтверждение закона Ломоносовым в 1756 году

В 1756 году Михаил Ломоносов экспериментально подтвердил справедливость закона сохранения массы для химических реакций. Он провел опыты по обжигу металлов в запаянных стеклянных сосудах. При этом масса сосудов с металлами до и после реакции окисления оставалась неизменной.

Ломоносов так описывал свои эксперименты:

Я заключил в стеклянные сосуды олово и свинец и старался их расплавить... Потом я охладил сосуды и взвесил их, и нисколько не нашел, чтобы вес убавился, как бы в таком случае следовало, если бы часть металла обратилась в дым.

Эти опыты наглядно продемонстрировали справедливость закона сохранения массы для химических реакций с участием металлов. Масса системы «металл + сосуд» оставалась постоянной, несмотря на протекание окислительно-восстановительных реакций и образование оксидов металлов.

Таким образом, еще в середине XVIII века закон сохранения массы был экспериментально подтвержден для важного класса химических реакций.

Связь закона сохранения массы и энергии, открытая А. Эйнштейном в 1905 году

В 1905 году немецкий физик Альберт Эйнштейн открыл фундаментальную связь между массой и энергией, сформулировав знаменитое уравнение:

E = mc2

Оно показывает, что энергия E и масса m вещества эквивалентны и связаны коэффициентом пропорциональности c - скоростью света в вакууме.

Это открытие потребовало пересмотра закона сохранения массы. Оказалось, что в закрытой системе при протекании физических и химических процессов сохраняется не только масса, но и полная энергия. А поскольку масса и энергия эквивалентны, то оба закона сохранения оказались тесно взаимосвязаны.

К примеру, в химических реакциях всегда выделяется или поглощается энергия в виде тепла. Это ведет к небольшим изменениям массы продуктов реакции по сравнению с исходными веществами. Однако на практике такие минимальные отклонения массы не учитывают, поэтому считается, что закон сохранения массы выполняется.

Таким образом, Эйнштейн показал глубокую внутреннюю связь двух важнейших законов природы – сохранения массы и энергии.

Проявление закона сохранения массы в повседневной жизни

Закон сохранения массы проявляется не только в научных экспериментах, но и в обыденной жизни людей. Рассмотрим несколько примеров.

Приготовление пищи

При варке, жарке или выпечке еды общая масса ингредиентов, взятых для приготовления блюда, остается прежней. Например, если мы берем 1 кг муки, 0,5 кг сахара и 0,25 кг масла для выпечки пирога, то масса готового пирога тоже будет равна 1,75 кг (с учетом небольших потерь).

Химическая промышленность

В промышленных масштабах химические реакции протекают с образованием тонн продукции. Но суммарная масса исходных веществ всегда равна суммарной массе конечных продуктов, что подтверждает действие закона сохранения массы.

Круговорот веществ в природе

В глобальном масштабе закон сохранения массы проявляется в круговороте веществ в биосфере Земли. Растения поглощают из почвы минеральные вещества, животные поедают растения, в результате разложения органики образуются новые минеральные соединения. Но общее количество каждого химического элемента остается постоянным.

Роль в понимании химических реакций

Сформулированный Ломоносовым и Лавуазье закон сохранения массы позволил ученым понять истинную природу химических реакций как перегруппировки атомов с образованием новых веществ. Если бы масса не сохранялась, химические превращения казались бы мистическими и необъяснимыми.

Влияние на химические расчеты

На основе закона сохранения массы химики получили мощный инструмент для количественных расчетов реакций. Зная массы или количества исходных веществ, можно вычислить массы или количества продуктов реакции. Это открыло путь для развития количественной химии.

Исследования в области ядерных реакций

При расщеплении или синтезе атомных ядер происходит значительная трансформация массы в энергию или наоборот. Дальнейшие исследования помогут еще глубже понять механизмы взаимопревращений массы и энергии.

Изучение физики элементарных частиц

Исследуя столкновения элементарных частиц при сверхвысоких энергиях, ученые проверяют пределы применимости законов сохранения и ищут возможные отклонения от них.