질량 보존의 법칙 공식 - jillyang bojon-ui beobchig gongsig

질량 보존 법칙(質量保存法則, law of conservation of mass)은, 닫힌 계의 질량이 화학 반응에 의한 상태 변화에 상관없이 변하지 않고 계속 같은 값을 유지한다는 법칙이다. 물질은 갑자기 생기거나, 없어지지 않고 그 형태만 변하여 존재한다는 뜻을 담고 있다. 다시 말해, 닫힌계에서의 화학 반응에서, (반응물의 질량) = (결과물의 질량) 이란 수식을 만족한다. 질량 보존 법칙은 비상대론적인 법칙이며, 상대성이론을 고려할 경우 상황은 조금 복잡해진다. 상대론을 고려할 경우에도 에너지 보존의 법칙은 성립한다.

이 법칙은 근대 화학의 아버지 앙투안 라부아지에가 최초로 정식화하였다. 그러나 이전에도 미하일 로모노소프 (Mikhail Lomonosov) 등이 언급한 바가 있다.

하지만 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하면 질량이 에너지로도 변환될 수 있다.

질량/물질 보존의 예외[편집]

1. 물질은 완벽하게 보존되지 않는다.

물질 보존의 법칙은 특수 상대성 이론이나 양자역학을 고려하지 않은 고전적 이론에서만 참인 근사적인 물리 법칙으로 생각될 수 있다. 그것은 특정 높은 에너지 활용을 제외하고는 거의 참이다. 보존의 개념에 특정한 어려움은, ‘물질’이 과학적으로 잘 정의된 단어가 아니라는 점이다. 그리고 물질들이 ‘물질’이라고 생각될 때, (예를 들어 전자나 양전자) 등은 광자를 생성하기 위해 없어진다. (광자는 종종 물질로 생각되지 않는다) 그러면 물질의 보존은 고립계에서도 참이 되지 않는다. 그러나, 물질 보존은 방사능과 핵반응이 포함되지 않는 화학 반응에서 안전하게 추정될 수 있다. 물질이 보존되지 않더라도, 계 안에서의 질량과 에너지의 총 합은 보존된다.

2. 열린계와 열역학적으로 닫힌 계

또한 질량은 열린계에서 일반적으로 보존되지 않는다. 계 내부나 외부로 다양한 형태의 에너지들이 투입될 수 있거나 나갈 수 있는 경우가 그런 예다. 그러나, 다시 말하지만 방사능과 핵반응이 포함되지 않는다면, 계에서 도망가는 열, 일, 전자기적 방사선은 계의 질량의 감소로 측정하기에는 사실 너무 작다. 고립계에서의 질량 보존 법칙 (질량과 에너지가 전부 닫힌계) 은 어떤 관성계에서 봐도 계속 현대 물리학에서 참으로 여겨진다. 이것의 이유는, 상대성 방정식이 심지어 ‘질량이 없는’ 입자들, 예를 들어 광자들이 고립계에 질량과 에너지를 더한다고 보이기 때문이다. 질량 (물질이 아니지만)이 에너지가 도망가지 않는 계의 과정에서 엄격하게 보존되도록 허락한다. 상대성 이론에서는, 다른 관찰자들이 주어진 계에서의 보존된 특정 값에 동의하지 않을 수 있다. 그러나 각각의 관찰자들은 이 값이 시간에 따라 변하지 않는다는 것에 동의할 것이다. (계가 모든 것에 대해 고립되어 있다면)

3. 일반 상대성 이론

일반 상대성 이론에서는, 팽창하는 부피의 우주에서 광자의 변치 않는 총 질량은 적색 이동 때문에 감소할 것이라고 한다. 그래서 질량과 에너지의 보존은 이론에서 에너지로 만들어진 다양한 수정들에 의존한다. 그러한 계들의 변하는 중력 퍼텐셜 에너지 때문이다.

같이 보기[편집]

• 알베르트 아인슈타인
• 질량-에너지 등가법칙

외부 링크[편집]

한화토탈에너지스 2022. 3. 24. 09:56

“이 세상에 변하지 않는 것이 있다면, 그것은 ‘모든 것은 변하고 있다는 사실’이다”라고 <반야심경>은 이야기합니다. 하지만 라부아지에의 ‘질량보존의 법칙’에 따르면 물질의 형태는 변화하지만, 화학반응 전 물질의 질량과 반응 후 생성되는 물질의 질량은 변하지 않는다고 하죠.

오늘은 ‘근대 화학의 아버지’라고 불리는 프랑스의 화학자, 앙투안 로랑 라부아지에(Antoine Laurent Lavoisier)와 그의 대표적인 업적 중 하나인 ‘질량보존의 법칙’에 관해 차근차근 설명해드리겠습니다.

01

물질은 끊임없이 변화한다

본격적으로 ‘질량보존의 법칙’을 알려드리기에 앞서, 물질의 변화를 먼저 알아보겠습니다. 우리 주변에 있는 물질은 끊임없이 변화하는데요. 물질의 변화는 크게 물리변화와 화학변화로 나눌 수 있습니다.

먼저 물리변화는 물질의 고유한 성질은 그대로 유지하면서 모양이나 크기, 상태 등이 변하는 현상입니다. 성질이 변하지 않는 물리변화와 달리, 어떤 물질이 고유한 성질과 전혀 다른 새로운 물질로 변화하는 현상은 화학변화라고 하죠.

우리가 일상에서 흔히 마시는 ‘물’을 예시로 설명하자면, 물이 얼어 얼음이 되는 것은 물리변화에 해당합니다. 이때 H2O라는 물 분자에는 변함이 없고, 물 분자 사이의 거리가 멀어져 분자의 배열만 변하게 되죠.

하지만 물을 전기 분해*한다고 가정하면 물 분자 H2O는 수소와 산소로 분리되어, 기존의 분자와 다른 분자로 변화합니다. 화학변화 시 물질의 고유한 성질이 변하는 이유는 바로 이처럼 원자의 배열이 달라져 물질의 종류가 변하기 때문이랍니다.

*전기 분해: 물질에 전기 에너지를 가하여 자발적으로 발생하지 않는 화합물을 분해하는 기술

02

모든 게 다 변해도 질량만은 변치 않아! 질량보존의 법칙

자, 그럼 질량보존의 법칙을 알아볼까요? 질량보존의 법칙에 따르면 ‘화학반응이 일어나기 전, 반응물질의 총질량과 화학반응 후 생성된 물질의 총질량은 같다’라고 합니다. 이는 화학반응이 일어날 때 물질을 이루는 원자의 종류와 개수에 변함이 없기 때문인데요. 위에서 살펴본 예시로 더욱 자세히 설명해 드리겠습니다.

우리는 앞서 액체 상태인 물을 전기 분해하여 기체 상태인 수소 분자와 산소 분자로 분리했는데요. 물질의 상태가 액체에서 기체로 변함에 따라 그 질량이 줄어들 것이라고 착각하기 쉽습니다. 하지만 H2O 분자를 구성하는 원자의 배열만 바뀌었을 뿐, 구성하는 요소는 그대로이기 때문에 질량은 동일하답니다.

이는 마치 들어있는 구성 요소를 활용하여 어떻게 만드느냐에 따라 형태가 달라지는 레고 조립과 비슷하다고 할 수 있죠. 레고 블록(원자)끼리 서로 분리되기도 하고 다시 붙기도 하면서 배열은 달라지지만 레고 블록의 개수나 종류는 같으니까 말이에요!

03

※주의※ 질량과 무게는 다르다!

질량보존의 법칙을 알아보며 한 가지 짚고 넘어가야 할 것이 있는데요. 바로, 질량과 무게는 엄연히 다르다는 것입니다. 

무게는 중력이 물체를 끌어당기는 힘, 즉 중력의 크기를 의미하고 질량은 물체를 이루는 물질의 고유한 양을 뜻합니다. 따라서 무게는 장소에 따라 그 값이 달라지는 데에 반해 질량은 달라지지 않습니다.

예를 들어 지구에서 무게가 12kg힘인 고양이가 달에 간다면, 무게는 2kg힘이 됩니다. 이는 지구에서 작용하는 중력과 달에서 작용하는 중력이 다르기 때문이죠. 하지만 지구에서나 달에서나 이 고양이의 질량은 12kg으로 같습니다.

여기서 한 가지 더! 눈썰미 좋으신 분들이라면 이미 눈치채셨겠죠? 흔히 무게를 얘기할 때 우리는 kg이라는 단위를 사용하는데요. 사실 kg은 질량은 나타내는 단위이기 때문에 무게를 나타낼 때는 ‘kg힘’을 사용하는 것이 정확합니다.

04

근대 화학계의 산소 같은 화학자

지금까지 질량보존의 법칙을 알아보았는데 어떠셨나요? 질량보존의 법칙은 여러 자연과학의 법칙 중에서 가장 기본이 되는 법칙입니다. 이는 ‘근대 화학의 아버지’ 라부아지에의 철저한 실험 덕분에 발견할 수 있었죠.

라부아지에는 물질이 연소하는 데 있어 질량의 변화를 더 정확히 측정하기 위해 당시 가장 정교한 저울을 만들어 모든 실험기구와 내용물의 질량을 실험 전후로 측정하는 노력을 선보였다고 합니다.

이 외에도 라부아지에는 연소와 산화는 산소와 결합하는 과정임을 밝히며 ‘산소’를 명명하였고, <화학 원론>이라는 책을 통해 물질을 새롭게 분류한 원소의 개념을 확립하며 기존 아리스토텔레스가 정리해 2천년 동안 서양 물질이론의 정설이었던 4원소설의 틀을 뒤집는 등 근대 화학에서 큰 획을 그은 인물입니다.

“물질의 형태는 변화하지만, 화학반응 전 물질의 질량과 반응 후 생성되는 물질의 질량은 변하지 않는다”라는 질량보존의 법칙! 여러분을 향한 한화토탈 블로그 지기의 마음도 이 질량과 같이 변하지 않을 것입니다. 그러면 다음 시간에는 더 흥미로운 과학 이야기와 함께 돌아오겠습니다.

종합 케미칼 & 에너지 리더,

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