Законы сохранения

Фундаментальные законы справедливы для всего естествознания: замкну­тых и незамкнутых систем, макроскопических и мик-роскопических, класси­ческих и квантовых явлений. Они выделяются среди всех законов своей все­общностью. Сформулированы они как обобщение опыта. Гораздо позже пришло понимание глубокой взаимосвязи этих законов.

Все виды материи, которые встречаются в природе, могут превращаться друг в друга различными способами. Например, из водорода и кислорода образуется вода, протон и нейтрон превращаются в ядро атома, ядро с элек­троном образуют атом и т. д.

В результате количество одного вида материи может увеличиваться или уменьшаться, но это всегда связано с соответствующим увеличением или уменьшением количества материи другого вида. При этом общее количество материи не изменяется.

Экспериментально установлено, что в изолированной системе общее ко­личество материи постоянно, при этом она из одной формы материи может переходить в другую.

Отсюда следует закон сохранения и превращения материи: Материя из ничего не создается и ни во что не превращается.

Первоначально закон сохранения и превращения материи был экспери­ментально доказан для частного случая закона сохранения массы при хими­ческих превращениях Ломоносовым в 1756 г. и Лавуазье в 1774 г. Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образо­вавшихся в результате реакции.

Независимо был открыт закон сохранения и превращения энергии (М. В. Ломоносов, 1760 г.) и подтвержден экспериментально Ю. Майером (в 1842 г.).

Энергия замкнутых систем остается постоянной при всех происхо­дящих в ней процессах и превращениях.

Под энергией понимают общую количественную меру различных форм движения материальных объектов. В соответствии с различными формами физического движения выделяют различные виды энергии: механическую, тепловую, химическую, электромагнитную, гравитационную, ядерную и другие.

До начала XX в. законы сохранения массы и энергии рассматривались независимо друг от друга. Предполагалось, что между веществом и энергией существует различие: вещество обладает массой, а энергия – нет.

В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что энергия также обладает массой. Он установил закон эквивалентности массы и энергии.

Полная энергия системы (Е) равна E = m·c², где m – масса системы, с – скорость света в вакууме.

Закон эквивалентности и массы и энергии подтвержден экспери­ментально. Он широко используется для расчета энергетических эффектов при ядерных реакциях и превращениях элементарных частиц.

Таким образом, каждое химическое уравнение символизирует собой зако­ны сохранения массы и энергии, которые можно объединить в уточненной формулировке: Суммарные масса и энергия объектов, вступивших в реакцию, всегда рав­ны суммарной массе и энергии продуктов реакции.

Закон сохранения импульса (количества движения): в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел.

Необходимым условием применимости закона сохранения импульса к системе взаимодействующих тел является использование инерциальной сис­темы отсчета.

Закон сохранения момента импульса: для изолированной системы момент импульса остается постоянным.

Момент импульса – это векторная мера механического движения тела или системы тел относительно какого-нибудь центра. Этот закон хорошо обоснован: неизвестны никакие исключения из него или факты, противоречащие ему.

Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе, в кото­рую не входят извне электрические заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоян­ной.

Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический за­ряд одного знака. Появление (исчезновение) положительного электрического заряда все­гда сопровождается появлением (исчезновением) равного по абсолютному значению отрица­тельного электрического заряда.