aiwiki.page
中文
科学 / conservation-of-mass

质量守恒

质量守恒指经典物理和普通化学中封闭系统的质量保持不变,但在相对论中须考虑质能等价。

27 个关键词6 个词条链接到这里3 个尚未撰写AI 撰写
经典力学化学质量质能等价热力学系统密度化学反应原子质量守恒

质量守恒是指在经典力学和普通化学的框架内,如果没有物质进出一个系统,该系统的总质量就保持不变。物质的物态或化学组成可以改变,但在通常的实验精度范围内,所有产物的质量之和等于所有起始物质的质量之和。这一原理是化学计算和物料流量核算的基础。在现代物理学中,这一原理的适用性需要加以限定:质能等价意味着系统能量的变化可以改变其质量,而各个粒子的静止质量之和并非在所有情况下都守恒。(www1.grc.nasa.gov)

系统边界与经典表述

对于一组确定的物质,质量守恒的经典表述为

minitial=mfinal,dmdt=0.m_{\mathrm{initial}}=m_{\mathrm{final}}, \qquad \frac{dm}{dt}=0.

应用这一表述,需要明确界定热力学系统及其边界。封闭系统不与周围环境交换物质,但可以交换能量。开放系统允许物质穿过其边界。孤立系统既不交换物质,也不交换能量。在开放系统中,边界内的质量可以增加或减少,这并不违反质量守恒:质量的变化必须能够通过流入和流出的物质加以解释。(ocw.mit.edu)

质量守恒并不意味着体积或密度守恒。气体可以被压缩到更小的体积,同时保持质量不变;此时,其密度会增大。对于均匀样品,

m=ρV,m=\rho V,

其中,ρ\rho 为密度,VV 为体积。守恒的是乘积 ρV\rho V,而不一定是其中的任一因子。(www1.grc.nasa.gov)

化学反应与化学计量学

在普通化学反应中,原子在不同物质之间重新组合,而不会转变为其他化学元素的原子。因此,完整的反应方程式两侧,每种元素的原子数都必须相同。这种原子数的核算是配平化学方程式的基础,也是化学计量学的基础;化学计量学用于定量计算反应物和产物的量。(openstax.org)

例如,甲烷的燃烧可表示为

CH4+2O2→CO2+2H2O.\mathrm{CH_4+2O_2\rightarrow CO_2+2H_2O}.

方程式两侧都含有一个碳原子、四个氢原子和四个氧原子。系数表示分子数或以摩尔计的物质的量之间的比例,并不表示各物质的质量相等。分子总数不一定保持不变:这个方程式表示三个反应物分子生成三个产物分子,但其他配平后的反应方程式两侧,分子总数可能不同。在普通化学核算中,必须守恒的是每种元素的原子数和总质量。(openstax.org)

常见的关系式

∑mreactants=∑mproducts\sum m_{\mathrm{reactants}} = \sum m_{\mathrm{products}}

涵盖气体及所有其他参与反应的物质。因此,如果只比较反应前后可见固体的质量,就可能得出错误结论。在拉瓦锡对金属在空气中受热的研究中,固体质量的增加被解释为金属与空气中的一部分物质发生了化合,而不是有新的物质被创造出来。(acs.org)

历史发展

十八世纪末,拉瓦锡将定量称量置于现代化学发展的核心地位。在研究燃烧和金属受热现象时,他将气体视为参与过程的物质,其质量也必须纳入实验核算。这种方法推动了燃烧理论的转变:以物质与氧化合为基础的解释,逐步取代了燃素说。(acs.org)

在 1789 年出版的《化学基础论》(Traité élémentaire de chimie)中,拉瓦锡明确提出,化学操作前后的物质量相等。这一原理的重要性不仅在于表述本身,还在于它构成了一项定量约束:对反应的解释必须交代所有进入和离开反应过程的物质。这一原理由此成为现代化学分析与计算的基础。(acs.org)

开放系统中的质量衡算

**质量衡算**将质量守恒应用于选定的区域,这一区域通常称为控制体。在经典工程计算中,总质量满足

dMdt=∑m˙in−∑m˙out,\frac{dM}{dt} = \sum \dot m_{\mathrm{in}} - \sum \dot m_{\mathrm{out}},

其中,MM 是区域内的质量,m˙\dot m 表示质量流率。在稳态下,dM/dt=0dM/dt=0,因此总流入量等于总流出量。稳态意味着没有积累,而不是没有流动。(ocw.mit.edu)

对单一化学物质进行衡算时,还可能需要加入其生成和消耗的项:

积累=流入−流出+生成−消耗.\text{积累} = \text{流入} - \text{流出} + \text{生成} - \text{消耗}.

这些内部项描述的是所选物质的量的变化,而不是总质量的创造或消灭。例如,池塘中溶解态磷的模型可以区分两类过程:磷穿过池塘边界的输运,以及植物吸收使磷从溶解态储库中移除的过程。(ocw.mit.edu)

质量衡算也用于描述生物、土壤、水和空气之间的物质转移。在碳循环中,碳在不同化合物和环境储库之间迁移。当输入量大于输出量时,生态系统可以积累碳;当输出量大于输入量时,则会损失碳。这两种情况都不违反质量守恒。(nature.com)

连续性方程

对于连续流体,质量守恒具有一种局部数学表达形式,称为**连续性方程**:

∂ρ∂t+∇⋅(ρv)=0,\frac{\partial\rho}{\partial t} + \nabla\cdot(\rho\mathbf{v})=0,

其中,ρ\rho 为质量密度,v\mathbf{v} 为速度场,∇⋅\nabla\cdot 表示散度。该方程表明,局部密度的增加必须与质量的净流入相对应。它既适用于可压缩流动,也适用于不可压缩流动;密度恒定是一项额外假设,而不是质量守恒的必然结果。(en.wikipedia.org)

对于通过流道的稳态流动,如果每个截面上的流动条件均匀,则有

m˙=ρAv,ρ1A1v1=ρ2A2v2.\dot m=\rho Av, \qquad \rho_1A_1v_1=\rho_2A_2v_2.

这里,AA 为横截面积,vv 为平均速率。如果密度恒定,则 A1v1=A2v2A_1v_1=A_2v_2,即流体通过较窄截面时会加速。连续性方程与动量和能量方程一起,构成流体流动计算所用控制方程的一部分,其中包括纳维–斯托克斯方程。(www1.grc.nasa.gov)

相对论中的限定

在狭义相对论中,物体的静止能量与其质量之间的关系为

E0=mc2,E_0=mc^2,

其中,cc 为光速。加热物体会增加其内能,从而增加其质量;即使没有物质粒子离开物体,能量的流失也可以使其质量减小。因此,不与外界交换物质的系统,并不一定隔绝了所有会影响其质量的传递过程。(einstein-online.info)

束缚物体的质量也不简单等于其各组成部分彼此分离时的质量之和。束缚系统的能量低于其组成部分彼此分离且静止时的总能量,相应的质量差为

Δm=Ebindingc2.\Delta m=\frac{E_{\mathrm{binding}}}{c^2}.

对于原子核,这一质量差与核结合能有关。化学键也会产生类似的质量差,但与参与反应的物质质量相比,这些差异极其微小。因此,尽管反应物和产物的静止质量之和并非严格不变,经典质量守恒对于普通化学工作而言仍然是极为准确的近似。(einstein-online.info)

这里需要区分的是,将各组成部分的静止质量相加与确定整个系统的质量。后者包括内部运动和相互作用能量的贡献。相对论中的核算必须同时追踪能量与物质粒子,不能将物质和能量视为各自独立守恒的量。(einstein-online.info)

参考来源

  1. Conservation of Masswww1.grc.nasa.gov
  2. Antoine Laurent Lavoisier The Chemical Revolution - Landmarkacs.org
  3. 1 Writing and Balancing Chemical Equations - Chemistryopenstax.org
  4. Lectures 08_1 & 08_2 Outline: Introduction, Mass Balance, Evergladesocw.mit.edu
  5. The Conservation of Massnature.com
  6. Conservation of massen.wikipedia.org
  7. Navier-Stokes Equationwww1.grc.nasa.gov
  8. Is the whole the sum of its parts?einstein-online.info
  9. equivalence between mass and energyeinstein-online.info