Ма́сса — одна из важнейших физических величин. Первоначально (XVII—XIX века) она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как объекта сопротивляться приложенной силе (инертность), так и гравитационные свойства — вес. Тесно связана с понятиями «энергия» и «импульс» (по современным представлениям — масса эквивалентна энергии покоя).
В современной физике понятие «количество вещества» имеет другой смысл, а под массой понимают два различных свойства физического объекта:
В классической механике — масса есть величина аддитивная (масса системы равна сумме масс составляющих её тел) и инвариантная относительно смены системы отсчёта. В релятивистской механике масса неаддитивная, но тоже инвариантная величина, определяемая, как абсолютная величина 4-вектора энергии-импульса.
2. Определение массы
Возможные 4-импульсы тел с нулевой и положительной массой покоя. Векторы 4-импульса, построенные от точки пересечения осей до любой точки на зелёной гиперболе, имеют одну и ту же (положительную) длину, то есть массу частицы, несущей этот четырёхимпульс, и различаются энергией и 4-скоростью частицы. Ускорение частицы сводится к движению конца 4-импульса по гиперболе. Векторы четырёхимпульса, построенные от точки пересечения осей до любой точки на синих полупрямых, имеют нулевую длину и могут относиться только к частицам нулевой массы (например, фотонам). Энергия этих частиц (с точностью до коэффициента c) равна модулю их 3-импульса.
В специальной теории относительности под массой понимают модуль 4-вектора импульса:
где E — полная энергия свободного тела, p — его импульс, c — скорость света.
В случае произвольной метрики пространства-времени (как в общей теории относительности) это определение требует некоторого обобщения:
Здесь gik — метрический тензор, pi — 4-импульс.
Определённая выше масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же во всех системах отсчёта. Если перейти в систему отсчёта, где тело покоится, то — масса определяется энергией покоя.
Особенно просто выглядят эти определения в системе единиц, в которой скорость света принята за 1 (например, в планковской или же в принятой в физике элементарных частиц системе единиц, в которой масса, импульс и энергия измеряются в электронвольтах)
Следует, однако, отметить, что частицы с нулевой массой (фотон и гипотетический гравитон) двигаются в вакууме со скоростью света (c ≈ 300000 км/сек), и поэтому не существует системы отсчёта, в которой бы они покоились. Напротив, частицы с ненулевой массой всегда движутся медленнее скорости света.
2.1. Масса составных и нестабильных систем
Масса элементарной частицы постоянна, и одинакова у всех частиц данного типа и их античастиц. Однако, масса массивных тел, составленных из нескольких элементарных частиц (например, ядра или атома) может зависеть от их внутреннего состояния.
Для системы, подверженной распаду (например, радиоактивному), величина энергии покоя определена лишь с точностью до постоянной Планка, делённой на время жизни. При описании такой системы при квантовой механики удобно считать массу комплексной, с мнимой частью равной означенному Δm.
3. Единицы массы
В системе СИ масса измеряется в килограммах. В системе СГС используются граммы. Иногда используются также другие единицы измерения массы.
Понятие массы было введено в физику Ньютоном, до этого естествоиспытатели оперировали с понятием веса. В труде «Математические начала натуральной философии» Ньютон сначала определил «количество материи» в физическом теле как произведение его плотности на объём. Далее он указал, что в том же смысле будет использовать термин масса. Наконец, Ньютон вводит массу в законы физики: сначала во второй закон Ньютона (через количество движения), а затем — в закон тяготения, откуда сразу следует, что вес пропорционален массе.
Фактически Ньютон использует только два понимания массы: как меры инерции и источника тяготения. Толкование её как меры «количества материи» — не более чем наглядная иллюстрация, и оно подверглось критике ещё в XIX веке как нефизическое и бессодержательное.
Долгое время одним из главных законов природы считался закон сохранения массы. Однако в XX веке выяснилось, что этот закон является ограниченным вариантом закона сохранения энергии, и во многих ситуациях не соблюдается.
Характеризует теплоусвояемость единицы массы физической системы при нагреве на 1 градус.
Размерность удельной теплоемкости, обозначаемой латинской буквой Ср, — Дж/(кг-К) . Кроме того, различают объемную теплоемкость С„ (Дж/(м3-К) ) и мольную теплоемкость См (Дж/(моль-К)) . Зависимость удельной теплоемкости от температуры следует учитывать при проектировании нагревательных систем устройств для пластикации полимерных материалов.
Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость вещества показывает количество энергии, которую необходимо сообщить / отобрать, для того, чтобы увеличить / уменьшить температуру одного килограмма вещества на один градус Кельвина.
То есть в других словах, если например удельная теплоемкость воды равняется 4,2 кДж/(кг*К) - это значит, что для того, чтобы нагреть один кг воды на один градус, необходимо передать этому кг воды 4,2 кДж энергии.
Удельная теплоемкость для любого вещества есть величина переменная, то есть она зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Если продолжать пример с водой, то ее удельная теплоемкость для 0°С равняется 4,218, а при 40°С 4,178 кДж/(кг*К) . Для льда теплоемкость еще ниже -- 2,11 кДж/(кг*К) для льда с температурой 0°С.
Что касается воды, необходимо отметить, что это жидкость с самым высоким значением удельной теплоемкости. Другими словами, чтобы обеспечить заданное количество температуры, вода должна поглотить или отдать количество тепла значительно больше, чем любое другое тело такой же массы. Удельная теплоемкость вещества - это энергия, необходимая для того чтобы повысить температуру 1 единицы массы вещества на один градус.
В связи с этим становится понятным интерес к воде, когда нужно обеспечить искусственный теплообмен. Количество тепла, необходимое для повышения температуры с Т н до Т k тела массой m можно рассчитать по следующей формуле:
Q = C x ( Т н – Т k ) x m, кДж
где m - масса тела, кг; С - удельная теплоемкость, кДж/(кг*К)
В современной физике понятие «количество вещества» имеет другой смысл, а под массой понимают два различных свойства физического объекта:
В классической механике — масса есть величина аддитивная (масса системы равна сумме масс составляющих её тел) и инвариантная относительно смены системы отсчёта. В релятивистской механике масса неаддитивная, но тоже инвариантная величина, определяемая, как абсолютная величина 4-вектора энергии-импульса.
2. Определение массы
Возможные 4-импульсы тел с нулевой и положительной массой покоя. Векторы 4-импульса, построенные от точки пересечения осей до любой точки на зелёной гиперболе, имеют одну и ту же (положительную) длину, то есть массу частицы, несущей этот четырёхимпульс, и различаются энергией и 4-скоростью частицы. Ускорение частицы сводится к движению конца 4-импульса по гиперболе. Векторы четырёхимпульса, построенные от точки пересечения осей до любой точки на синих полупрямых, имеют нулевую длину и могут относиться только к частицам нулевой массы (например, фотонам). Энергия этих частиц (с точностью до коэффициента c) равна модулю их 3-импульса.
В специальной теории относительности под массой понимают модуль 4-вектора импульса:
где E — полная энергия свободного тела, p — его импульс, c — скорость света.
В случае произвольной метрики пространства-времени (как в общей теории относительности) это определение требует некоторого обобщения:
Здесь gik — метрический тензор, pi — 4-импульс.
Определённая выше масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же во всех системах отсчёта. Если перейти в систему отсчёта, где тело покоится, то — масса определяется энергией покоя.
Особенно просто выглядят эти определения в системе единиц, в которой скорость света принята за 1 (например, в планковской или же в принятой в физике элементарных частиц системе единиц, в которой масса, импульс и энергия измеряются в электронвольтах)
Следует, однако, отметить, что частицы с нулевой массой (фотон и гипотетический гравитон) двигаются в вакууме со скоростью света (c ≈ 300000 км/сек), и поэтому не существует системы отсчёта, в которой бы они покоились. Напротив, частицы с ненулевой массой всегда движутся медленнее скорости света.
2.1. Масса составных и нестабильных систем
Масса элементарной частицы постоянна, и одинакова у всех частиц данного типа и их античастиц. Однако, масса массивных тел, составленных из нескольких элементарных частиц (например, ядра или атома) может зависеть от их внутреннего состояния.
Для системы, подверженной распаду (например, радиоактивному), величина энергии покоя определена лишь с точностью до постоянной Планка, делённой на время жизни. При описании такой системы при квантовой механики удобно считать массу комплексной, с мнимой частью равной означенному Δm.
3. Единицы массы
В системе СИ масса измеряется в килограммах. В системе СГС используются граммы. Иногда используются также другие единицы измерения массы.
Понятие массы было введено в физику Ньютоном, до этого естествоиспытатели оперировали с понятием веса. В труде «Математические начала натуральной философии» Ньютон сначала определил «количество материи» в физическом теле как произведение его плотности на объём. Далее он указал, что в том же смысле будет использовать термин масса. Наконец, Ньютон вводит массу в законы физики: сначала во второй закон Ньютона (через количество движения), а затем — в закон тяготения, откуда сразу следует, что вес пропорционален массе.
Фактически Ньютон использует только два понимания массы: как меры инерции и источника тяготения. Толкование её как меры «количества материи» — не более чем наглядная иллюстрация, и оно подверглось критике ещё в XIX веке как нефизическое и бессодержательное.
Долгое время одним из главных законов природы считался закон сохранения массы. Однако в XX веке выяснилось, что этот закон является ограниченным вариантом закона сохранения энергии, и во многих ситуациях не соблюдается.