Trong khoa học tự nhiên một trong những nguyên lý quan trọng phổ biến nhất là các định luật bảo toàn. Không chỉ mang tính lý thuyết còn là công cụ cực kỳ hữu ích để giải thích rồi dự đoán với cả tính toán trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ cơ học, nhiệt học đến hóa học với hạt nhân. Việc hiểu áp dụng đúng các định luật bảo toàn giúp ta tiếp cận rồi giải quyết bài toán khoa học một cách chính xác hiệu quả.
Định nghĩa định luật bảo toàn là gì
Định luật bảo toàn là nguyên lý mô tả một đại lượng vật lý hoặc hóa học nào đó được giữ nguyên, không thay đổi theo thời gian trong một hệ thống kín. Các đại lượng này có thể là khối lượng, năng lượng, động lượng, điện tích hay số nguyên tử. Dù trong các phản ứng hay tương tác phức tạp, những đại lượng này vẫn được bảo toàn nếu không có ảnh hưởng từ bên ngoài.
Các định luật bảo toàn cơ bản trong vật lý
Vật lý học là lĩnh vực khai thác ứng dụng nhiều định luật bảo toàn nhất. Một số định luật phổ biến gồm có
Thứ nhất là định luật bảo toàn động lượng. Trong một hệ kín không có lực ngoài tác động, tổng động lượng của các vật trong hệ không thay đổi theo thời gian. Thường được áp dụng để phân tích các va chạm hay phản lực như trong trường hợp tên lửa hoặc xe va chạm.
Thứ hai là định luật bảo toàn năng lượng. Là định luật nền tảng trong toàn bộ vật lý học. Năng lượng không tự sinh ra hay mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. Dù là cơ năng, thế năng, động năng, nhiệt năng hay năng lượng điện, tổng năng lượng trong hệ luôn giữ nguyên nếu không có tương tác từ bên ngoài.
Thứ ba là định luật bảo toàn công. Trong điều kiện lý tưởng không có mất mát do ma sát hay lực cản, tổng công mà các lực thực hiện bằng sự biến thiên động năng của vật. Định luật này thường được dùng trong cơ học để tính toán lực kéo, độ cao hay vận tốc của vật chuyển động.
Thứ tư là định luật bảo toàn điện tích. Tổng điện tích trong một hệ luôn được giữ nguyên trong mọi quá trình tương tác điện từ hoặc phản ứng hạt nhân. Khi hai vật trao đổi điện tích, phần mất của vật này chính là phần nhận được của vật kia.
Thứ năm là định luật bảo toàn số khối trong vật lý hạt nhân. Số khối là tổng số proton và neutron trong hạt nhân. Khi một phản ứng hạt nhân xảy ra, tổng số khối trước và sau phản ứng không đổi trừ trường hợp có phóng xạ hay phát xạ hạt nhẹ.
Các định luật bảo toàn trong hóa học
Hóa học là môn học nơi định luật bảo toàn được sử dụng như công cụ cơ bản để lập phương trình phản ứng với giải bài toán định lượng. Dưới đây là các định luật nổi bật
Đầu tiên là định luật bảo toàn khối lượng. Trong một phản ứng hóa học, tổng khối lượng các chất phản ứng bằng tổng khối lượng các sản phẩm tạo thành. Xuất phát từ thực tế rằng không có nguyên tử nào bị mất đi hay xuất hiện thêm trong quá trình phản ứng mà chỉ sắp xếp lại vị trí liên kết.
Tiếp theo là định luật bảo toàn số nguyên tử. Trong phản ứng tổng số nguyên tử của từng nguyên tố phải không thay đổi. Là nguyên tắc quan trọng nhất khi cân bằng phương trình hóa học. Dù phản ứng xảy ra với chất khí, lỏng hay rắn thì số nguyên tử của mỗi nguyên tố đều giữ nguyên.
Một định luật quan trọng nữa là định luật bảo toàn điện tích. Trong các phản ứng oxi hóa khử, tổng điện tích trước và sau phản ứng phải bằng nhau. Các ion mất hay nhận electron đều phải được cân bằng sao cho điện tích toàn phần của hệ không đổi.
Ngoài ra còn có định luật bảo toàn số mol trong trường hợp các phản ứng xảy ra theo tỉ lệ xác định. Mặc dù tổng số mol không phải lúc nào cũng được bảo toàn nhưng tỉ lệ số mol giữa các chất phản ứng và sản phẩm luôn tuân theo phương trình phản ứng đã cân bằng.
Trong hóa học hữu cơ, định luật bảo toàn liên kết pi cũng thường được nhắc đến trong các phản ứng cộng hay thế. Tổng số liên kết pi trong một hệ phân tử có thể được suy luận hay giữ nguyên tùy thuộc vào cơ chế phản ứng.
Đối với các phản ứng hạt nhân định luật bảo toàn proton và neutron giữ vai trò cực kỳ quan trọng. Khi một phản ứng xảy ra, tổng số proton và neutron trong các hạt nhân trước với sau phản ứng đều được bảo toàn, nếu không có phát xạ hạt nhẹ hay sự biến đổi hạt nhân phức tạp.
Các trường hợp đặc biệt
Một số định luật bảo toàn có tính ứng dụng cao trong điều kiện cụ thể. Ví dụ định luật bảo toàn thể tích chỉ đúng trong trường hợp khí lý tưởng ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi. Theo định luật Avogadro, các thể tích khí tham gia phản ứng có thể được so sánh trực tiếp với số mol tương ứng.
Định luật bảo toàn vật chất là một biểu hiện tổng quát của định luật bảo toàn khối lượng và nguyên tử khẳng định rằng trong mọi quá trình vật lý hay hóa học, vật chất không tự sinh ra hay mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.
Các định luật bảo toàn đóng vai trò là những quy tắc nền tảng giúp duy trì sự logic với chính xác trong việc phân tích tính toán các hiện tượng tự nhiên. Dù là trong một bài toán va chạm cơ học, một phản ứng hóa học đơn giản hay một quá trình nhiệt động phức tạp thì áp dụng đúng định luật bảo toàn giúp ta kiểm soát với cả hiểu rõ bản chất của hiện tượng.
Không chỉ là công cụ học tập các định luật bảo toàn còn là nguyên lý chỉ đạo trong nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ kỹ thuật. Từ sản xuất năng lượng, điều khiển nhiệt độ trong nhà máy đến thiết kế hệ thống điện tử rồi cả phân tích phản ứng trong phòng thí nghiệm, mọi thứ đều cần đến sự chính xác ổn định mà các định luật bảo toàn mang lại.