Материя и энергия. Закон сохранения материи

Материя — это всё, что имеет массу и занимает пространство. Масса является мерой количества материи в образце любого вещества. Чем больше масса объекта, тем больше силы требуется, чтобы привести его в движение. Все тела состоят из материи. Наши органы чувств, такие как зрение и осязание, обычно позволяют нам определить, что объект занимает пространство. Однако в случае бесцветных, безвкусных и не имеющих запаха газов (например, воздуха) наши чувства могут нас подвести.

Энергия определяется как способность совершать работу или передавать тепло. Мы знакомы с множеством форм энергии, включая механическую, световую, электрическую и тепловую. Световая энергия солнца используется растениями для роста, электрическая энергия позволяет нам освещать комнату, просто щёлкнув выключателем, а тепловая энергия готовит пищу и обогревает наши дома. Энергию можно разделить на два основных типа: кинетическую и потенциальную.

Движущееся тело, например, катящийся валун, обладает энергией благодаря своему движению. Такая энергия называется кинетической. Кинетическая энергия представляет собой способность непосредственно совершать работу. Она легко передаётся между объектами. Потенциальная энергия — это энергия, которой объект обладает благодаря своему положению, состоянию или составу. Например, уголь обладает химической энергией, формой потенциальной энергии, благодаря своему составу. Многие электростанции сжигают уголь, производя тепло, которое преобразуется в электрическую энергию. Валун, находящийся на вершине горы, обладает потенциальной энергией благодаря своей высоте и действию силы тяжести. Он может скатиться с горы, преобразуя свою потенциальную энергию в кинетическую.

Мы обсуждаем энергию, потому что все химические процессы сопровождаются изменениями энергии. В некоторых процессах энергия выделяется в окружающую среду, обычно в виде тепла. Такие процессы называются экзотермическими. Любая реакция горения является экзотермической. Однако некоторые химические реакции и физические изменения являются эндотермическими, то есть они поглощают энергию из окружающей среды. Примером физического изменения, которое является эндотермическим, является таяние льда.

Закон сохранения материи. Когда мы сжигаем образец металлического магния в кислороде, магний соединяется с кислородом (Рисунок 1-1), образуя оксид магния — белый порошок. Эта химическая реакция сопровождается выделением большого количества энергии в виде тепла и света. Когда мы взвешиваем продукт реакции, оксид магния, оказывается, что он тяжелее исходного куска магния. Увеличение массы твёрдого вещества происходит из-за соединения кислорода с магнием с образованием оксида магния.

Рис. 1-1. Магний сгорает в кислороде, образуя оксид магния, белое твердое вещество. Масса образовавшегося оксида магния равна сумме масс кислорода и магния, которые его образовали

Многочисленные эксперименты показали, что масса оксида магния в точности равна сумме масс магния и кислорода, которые соединились для его образования. Подобные утверждения можно сделать для всех химических реакций. Эти наблюдения обобщены в Законе сохранения материи:

Количество материи не изменяется в ходе химической реакции или физического изменения

Это утверждение является примером научного (природного) закона — общего утверждения, основанного на наблюдаемом поведении материи, для которого не известно исключений. Ядерная реакция, в которой масса преобразуется в энергию или иногда энергия в массу, не является химической реакцией.

Закон сохранения энергии. В экзотермических химических реакциях химическая энергия обычно преобразуется в тепловую. Некоторые экзотермические процессы связаны с другими видами изменений энергии. Например, некоторые реакции выделяют световую энергию без тепла, а другие производят электрическую энергию без тепла или света. В эндотермических реакциях тепловая, световая или электрическая энергия преобразуется в химическую. Хотя химические изменения всегда сопровождаются изменениями энергии, некоторые преобразования энергии не связаны с химическими изменениями.

Например, тепловая энергия может быть преобразована в электрическую или механическую без каких-либо одновременных химических изменений. Многочисленные эксперименты показали, что вся энергия, участвующая в любом химическом или физическом изменении, проявляется в какой-либо форме после этого изменения. Эти наблюдения обобщены в Законе сохранения энергии:

Энергия не может быть создана или уничтожена в ходе химической реакции или физического изменения. Она может только преобразовываться из одной формы в другую.

Закон сохранения материи и энергии. С началом ядерной эры в 1940-х годах учёные, а затем и весь мир, осознали, что материя может быть преобразована в энергию. В ядерных реакциях (Глава 22) материя превращается в энергию. Связь между материей и энергией описывается знаменитым уравнением Альберта Эйнштейна:

E = mc²

Это уравнение гласит, что количество энергии, выделяемой при преобразовании материи в энергию, равно массе преобразованной материи, умноженной на квадрат скорости света. Даже водородная бомба преобразует лишь небольшое количество материи в энергию. На данный момент мы не наблюдали (намеренно) преобразования энергии в материю в больших масштабах. Преобразования материи в энергию часто происходят на крайне малых масштабах в "ускорителях частиц", используемых для инициирования ядерных реакций. Теперь, когда эквивалентность материи и энергии признана, Закон сохранения материи и энергии можно сформулировать в одном предложении:

Совокупное количество материи и энергии во Вселенной является постоянным.