Nguyên lý bảo toàn khối lượng phát biểu rằng khối lượng không thể được tạo ra hay mất đi trong một hệ kín. Khái niệm cơ bản này là cầu nối của nhiều ngành khoa học bao gồm năng lượng, vật chất, hóa học, vật lý, cơ học, định luật vật lý và động lực học chất lỏng.
Trong hóa học, việc bảo toàn khối lượng là rất quan trọng khi cân bằng các phương trình hóa học. Định luật này ngụ ý rằng khối lượng của chất phản ứng trong phản ứng hóa học phải bằng khối lượng của sản phẩm. Ví dụ, hãy xem xét phản ứng đơn giản giữa khí hydro ( \(H_2\) ) và khí oxy ( \(O_2\) ) để tạo thành nước ( \(H_2O\) ).
Phương trình: \(2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O\)
Tổng khối lượng của 2 phân tử khí hydro và 1 phân tử khí oxy trước phản ứng bằng khối lượng của 2 phân tử nước tạo thành sau phản ứng. Điều này minh họa khối lượng được bảo toàn như thế nào, ngay cả khi các chất phản ứng chuyển hóa thành các chất khác nhau.
Vật lý khám phá sự bảo toàn khối lượng trong nhiều bối cảnh khác nhau, bao gồm sự biến đổi năng lượng và động lực học chất lỏng. Theo định luật, trong một hệ kín, khối lượng không đổi theo thời gian.
Trong lĩnh vực năng lượng, phương trình nổi tiếng của Albert Einstein, \(E=mc^2\) , cho thấy mối quan hệ giữa khối lượng ( \(m\) ) và năng lượng ( \(E\) ), với \(c\) là tốc độ ánh sáng. Phương trình này cho thấy khối lượng có thể chuyển hóa thành năng lượng và ngược lại, nhưng tổng khối lượng và năng lượng trong hệ không đổi.
Trong động lực học chất lỏng, sự bảo toàn khối lượng chuyển thành nguyên lý liên tục. Đối với chất lỏng không nén được chảy qua ống có đường kính khác nhau, tốc độ dòng khối phải không đổi. Điều này có thể được mô tả bằng \(A_1V_1 = A_2V_2\) , trong đó \(A\) là diện tích mặt cắt ngang của đường ống và \(V\) là vận tốc chất lỏng. Phương trình này đảm bảo rằng cùng một lượng khối lượng đi vào và đi ra khỏi một đoạn ống, cho thấy sự bảo toàn khối lượng trong tác dụng.
Sự bảo toàn khối lượng cũng đóng một vai trò quan trọng trong cơ học và các định luật vật lý rộng hơn, chẳng hạn như định luật chuyển động của Newton. Ví dụ, động lượng của một hệ được bảo toàn khi không có ngoại lực. Nếu hai vật va chạm thì tổng khối lượng trước và sau va chạm không đổi, mặc dù hai vật có thể thay đổi hình dạng, tốc độ hoặc hướng.
Trong bối cảnh các định luật vật lý, việc bảo toàn khối lượng là một nguyên lý cơ bản hỗ trợ cho khái niệm bảo toàn năng lượng. Những nguyên tắc này rất quan trọng trong việc tìm hiểu hành vi của các hệ thống vật lý, từ những cỗ máy đơn giản đến những cấu trúc phức tạp.
Một số thí nghiệm đơn giản có thể chứng minh sự bảo toàn khối lượng. Một ví dụ là hòa tan muối trong nước. Ban đầu, khối lượng nước và muối được đo riêng biệt sau đó cho vào cốc thủy tinh để hòa tan muối. Tổng khối lượng của cốc có dung dịch muối bằng tổng khối lượng riêng của nước và muối, chứng tỏ sự bảo toàn khối lượng.
Một thí nghiệm khác liên quan đến một hệ kín, chẳng hạn như một quả bóng chứa đầy không khí. Nếu quả bóng được cân, sau đó phồng lên và cân lại mà không để không khí thoát ra ngoài thì khối lượng vẫn giữ nguyên. Điều này chứng tỏ rằng ngay cả khi hình dạng và thể tích thay đổi, khối lượng bên trong hệ kín vẫn được bảo toàn.
Sự bảo toàn khối lượng là một khái niệm cơ bản được áp dụng trong nhiều ngành khoa học. Cho dù trong các phản ứng hóa học, biến đổi năng lượng, động lực học chất lỏng hay hệ thống cơ học, nguyên tắc khối lượng không thể được tạo ra hoặc phá hủy trong một hệ kín luôn được tuân thủ. Hiểu nguyên tắc này là rất quan trọng đối với sinh viên cũng như các nhà khoa học, vì nó tạo cơ sở cho phần lớn sự hiểu biết của chúng ta về thế giới vật chất.
