ينص مبدأ حفظ الكتلة على أنه لا يمكن خلق الكتلة أو تدميرها في نظام مغلق. يربط هذا المفهوم الأساسي بين العديد من التخصصات العلمية بما في ذلك الطاقة والمادة والكيمياء والفيزياء والميكانيكا وقوانين الفيزياء وديناميكيات الموائع.
في الكيمياء، يعد حفظ الكتلة أمرًا بالغ الأهمية عند موازنة المعادلات الكيميائية. يشير هذا القانون إلى أن كتلة المواد المتفاعلة في التفاعل الكيميائي يجب أن تساوي كتلة المنتجات. على سبيل المثال، فكر في التفاعل البسيط بين غاز الهيدروجين ( \(H_2\) ) وغاز الأكسجين ( \(O_2\) ) لتكوين الماء ( \(H_2O\) ).
المعادلة: \(2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O\)
الكتلة الإجمالية لجزيئين من غاز الهيدروجين وجزيء واحد من غاز الأكسجين قبل التفاعل تساوي كتلة جزيئين من الماء الناتجين بعد التفاعل. وهذا يوضح كيفية حفظ الكتلة، حتى عندما تتحول المواد المتفاعلة إلى مواد مختلفة.
تستكشف الفيزياء حفظ الكتلة في سياقات مختلفة، بما في ذلك تحولات الطاقة وديناميكيات الموائع. وفقًا للقانون، في النظام المغلق، تظل الكتلة ثابتة مع مرور الوقت.
في عالم الطاقة، تُظهر معادلة ألبرت أينشتاين الشهيرة، \(E=mc^2\) ، العلاقة بين الكتلة ( \(m\) ) والطاقة ( \(E\) ) ، حيث \(c\) تكون سرعة الضوء. تشير هذه المعادلة إلى أنه يمكن تحويل الكتلة إلى طاقة والعكس صحيح، لكن الكمية الإجمالية للكتلة والطاقة في النظام تظل ثابتة.
في ديناميكا الموائع، يُترجم حفظ الكتلة إلى مبدأ الاستمرارية. بالنسبة لسائل غير قابل للضغط يتدفق عبر أنبوب بأقطار مختلفة، يجب أن يظل معدل تدفق الكتلة ثابتًا. يمكن وصف ذلك بواسطة \(A_1V_1 = A_2V_2\) ، حيث \(A\) هي مساحة المقطع العرضي للأنبوب و \(V\) هي سرعة المائع. تضمن هذه المعادلة أن نفس كمية الكتلة تدخل وتخرج من جزء من الأنبوب، مما يوضح حفظ الكتلة أثناء العمل.
يلعب حفظ الكتلة أيضًا دورًا مهمًا في الميكانيكا وقوانين الفيزياء الأوسع، مثل قوانين نيوتن للحركة. على سبيل المثال، يتم الحفاظ على زخم النظام في غياب القوى الخارجية. إذا اصطدم جسمان، فإن الكتلة الإجمالية قبل الاصطدام وبعده تظل دون تغيير، على الرغم من أن الجسمين قد يتغير شكلهما أو سرعتهما أو اتجاهاتهما.
في سياق قوانين الفيزياء، يعد الحفاظ على الكتلة مبدأ أساسيًا يدعم مفهوم الحفاظ على الطاقة. هذه المبادئ حاسمة في فهم سلوك الأنظمة الفيزيائية، من الآلات البسيطة إلى الهياكل المعقدة.
يمكن لعدة تجارب بسيطة إثبات حفظ الكتلة. أحد الأمثلة على ذلك هو إذابة الملح في الماء. في البداية، يتم قياس كتلة الماء والملح بشكل منفصل ثم يتم دمجهما في كوب لإذابة الملح. الكتلة الإجمالية للكوب الذي يحتوي على المحلول الملحي هي نفس مجموع كتلتي الماء والملح، مما يدل على حفظ الكتلة.
تتضمن تجربة أخرى نظامًا مغلقًا، مثل بالون مملوء بالهواء. إذا تم وزن البالون، ثم نفخه، ووزنه مرة أخرى دون السماح لأي هواء بالخروج، فستظل الكتلة كما هي. وهذا يدل على أنه حتى مع تغير الشكل والحجم، فإن الكتلة داخل النظام المغلق تظل محفوظة.
يعد حفظ الكتلة مفهومًا أساسيًا ينطبق على نطاق واسع من التخصصات العلمية. سواء في التفاعلات الكيميائية، أو تحولات الطاقة، أو ديناميكيات الموائع، أو الأنظمة الميكانيكية، يتم ملاحظة مبدأ عدم إمكانية إنشاء الكتلة أو تدميرها في نظام مغلق باستمرار. إن فهم هذا المبدأ أمر بالغ الأهمية للطلاب والعلماء على حد سواء، لأنه يشكل الأساس لكثير من فهمنا للعالم المادي.
