Tiheyttä kutsutaan yleensä fysikaaliseksi suureksi, joka määrittää esineen, aineen tai nesteen massan suhteen sen avaruudessa viemään tilavuuteen. Puhutaanpa mitä tiheys on, miten kappaleen ja aineen tiheys eroaa ja miten (millä kaavalla) tiheys löydetään fysiikasta.
Tiheyden tyypit
On syytä selventää, että tiheys voidaan jakaa useisiin tyyppeihin.
Riippuen tutkittavasta kohteesta:
- Kappaleen tiheys - homogeenisille kappaleille - on kappaleen massan suora suhde sen avaruudessa vietettyyn tilavuuteen.
- Aineen tiheys on tästä aineesta koostuvien kappaleiden tiheys. Aineiden tiheys on vakio. On olemassa erityisiä taulukoita, jotka osoittavat eri aineiden tiheyden. Esimerkiksi alumiinin tiheys on 2,7 * 103 kg/m3. Kun tiedämme alumiinin tiheyden ja siitä tehdyn kappaleen massan, voimme laskea tämän kappaleen tilavuuden. Tai tietäen, että runko koostuu alumiinista ja tietäen tämän kappaleen tilavuuden, voimme helposti laskea sen massan. Katsomme kuinka nämä suureet löydetään hieman myöhemmin, kun johdamme kaavan tiheyden laskemiseksi.
- Jos kappale koostuu useista aineista, sen tiheyden määrittämiseksi on tarpeen laskea sen osien tiheys jokaiselle aineelle erikseen. Tätä tiheyttä kutsutaan kehon keskimääräiseksi tiheydeksi.
Sen aineen huokoisuudesta riippuen, josta keho koostuu:
- Todellinen tiheys on tiheys, joka lasketaan ottamatta huomioon kehon tyhjiä paikkoja.
- Ominaispaino eli näennäinen tiheys on se, joka lasketaan huokoisesta tai murenevasta aineesta koostuvan kappaleen tyhjiöt huomioon ottaen.
Joten miten löydät tiheyden?
Kaava tiheyden laskemiseen
Kaava, joka auttaa löytämään kehon tiheyden, on seuraava:
- p = m / V, missä p on aineen tiheys, m on kappaleen massa, V on kappaleen tilavuus avaruudessa.
Jos laskemme tietyn kaasun tiheyden, kaava näyttää tältä:
- p = M / V m p - kaasun tiheys, M - kaasun moolimassa, V m - moolitilavuus, joka normaaliolosuhteissa on 22,4 l/mol.
Esimerkki: aineen massa on 15 kg, se vie 5 litraa. Mikä on aineen tiheys?
Ratkaisu: korvaa arvot kaavaan
- p = 15/5 = 3 (kg/l)
Vastaus: aineen tiheys on 3 kg/l
Tiheysyksiköt
Sen lisäksi, että osaat löytää kappaleen ja aineen tiheyden, sinun on tiedettävä myös tiheyden mittayksiköt.
- Kiintoaineille - kg/m 3, g/cm 3
- Nesteet - 1 g/l tai 10 3 kg/m 3
- Kaasuille - 1 g/l tai 10 3 kg/m 3
Voit lukea lisää tiheysyksiköistä artikkelistamme.
Kuinka löytää tiheys kotona
Jotta voit löytää kehon tai aineen tiheyden kotona, tarvitset:
- Vaa'at;
- senttimetri, jos runko on kiinteä;
- Astia, jos haluat mitata nesteen tiheyden.
Jotta voit löytää kehon tiheyden kotona, sinun on mitattava sen tilavuus senttimetrillä tai astialla ja asetettava sitten keho vaa'alle. Jos mittaat nesteen tiheyttä, muista vähentää sen astian massa, johon kaadit nesteen, ennen kuin teet laskelmia. Kaasujen tiheyden laskeminen kotona on paljon vaikeampaa, suosittelemme käyttämään valmiita taulukoita, jotka osoittavat jo eri kaasujen tiheydet.
MÄÄRITELMÄ
Tiheys on skalaarinen fysikaalinen suure, joka määritellään kappaleen massan suhteeksi sen varaamaan tilavuuteen.
Tätä määrää merkitään yleensä kreikkalaisella kirjaimella r tai latinalaisilla kirjaimilla D ja d. Tiheyden mittayksikkönä SI-järjestelmässä pidetään kg/m 3 ja GHS:ssä - g/cm 3 .
Tiheys voidaan laskea kaavalla:
Tietyn kaasun massan suhdetta toisen kaasun massaan, joka on otettu samassa tilavuudessa, samassa lämpötilassa ja paineessa, kutsutaan ensimmäisen kaasun suhteelliseksi tiheydeksi toiseen.
Esimerkiksi normaalioloissa hiilidioksidin massa 1 litran tilavuudessa on 1,98 g ja vedyn massa samassa tilavuudessa ja samoissa olosuhteissa 0,09 g, josta vedyn aiheuttaman hiilidioksidin tiheys laskee. olla: 1,98 / 0,09 = 22.
Kuinka laskea aineen tiheys
Merkitään suhteellinen kaasutiheys m 1 / m 2 kirjaimella D. Sitten
Siksi kaasun moolimassa on yhtä suuri kuin sen tiheys suhteessa toiseen kaasuun, kerrottuna toisen kaasun moolimassalla.
Usein eri kaasujen tiheydet määritetään suhteessa vetyyn, joka on kaikista kaasuista kevyin. Koska vedyn moolimassa on 2,0158 g/mol, tässä tapauksessa moolimassojen laskentakaava on muotoa:
tai jos pyöristetään vedyn moolimassa 2:ksi:
Laskemalla esimerkiksi tällä yhtälöllä hiilidioksidin moolimassan, jonka vetytiheys, kuten edellä on osoitettu, on 22, saadaan:
M(C02) = 2 x 22 = 44 g/mol.
Esimerkkejä ongelmanratkaisusta
ESIMERKKI 1
| Harjoittele | Laske veden tilavuus ja natriumkloridin NaCl massa, joka tarvitaan valmistamaan 250 ml 0,7 M liuosta. Otetaan liuoksen tiheydeksi 1 g/cm. Mikä on natriumkloridin massaosuus tässä liuoksessa? |
| Ratkaisu | Liuoksen moolipitoisuus 0,7 M osoittaa, että 1000 ml liuosta sisältää 0,7 mol suolaa. Sitten voit selvittää suola-aineen määrän 250 ml:ssa tätä liuosta: n(NaCl) = V-liuos (NaCl) × C M (NaCl); n(NaCl) = 250 x 0,7 / 1000 = 0,175 mol. Etsitään 0,175 mol natriumkloridin massa: M(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol. m(NaCl) = n(NaCl) × M(NaCl); m(NaCl) = 0,175 × 58,5 = 10,2375 g. Lasketaan veden massa, joka tarvitaan 250 ml:n 0,7 M natriumkloridiliuos saamiseksi: r = m liuos / V; m liuos = V ×r = 250 × 1 = 250 g. m(H20) = 250 - 10,2375 = 239,7625 g. |
| Vastaus | Veden massa on 239,7625 g, tilavuus on sama, koska veden tiheys on 1 g/cm |
ESIMERKKI 2
| Harjoittele | Laske veden tilavuus ja kaliumnitraatin KNO 3 massa, joka tarvitaan valmistamaan 150 ml 0,5 M liuosta. Otetaan liuoksen tiheydeksi 1 g/cm. Mikä on kaliumnitraatin massaosuus tällaisessa liuoksessa? |
| Ratkaisu | Liuoksen moolipitoisuus 0,5 M osoittaa, että 1000 ml liuosta sisältää 0,7 mol suolaa. Sitten voit selvittää suolan määrän 150 ml:ssa tätä liuosta: n(KNO 3) = V-liuos (KNO 3) × C M (KNO 3); n(KNO3) = 150 × 0,5 / 1000 = 0,075 mol. Etsitään 0,075 mol kaliumnitraatin massa: M(KNO3) = Ar(K) + Ar(N) + 3 x Ar(O) = 39 + 14 + 3 x 16 = 53 + 48 = 154 g/mol. m(KN03) = n(KNO3) × M(KNO3); m(KNO3) = 0,075 × 154 = 11,55 g. Lasketaan veden massa, joka tarvitaan, jotta saadaan 150 ml 0,5 M kaliumnitraattiliuosta: r = m liuos / V; m liuos = V ×r = 150 × 1 = 150 g. m(H20) = m liuos - m(NaCl); m(H20) = 150 - 11,55 = 138,45 g. |
| Vastaus | Veden massa on 138,45 g, tilavuus on sama arvo, koska veden tiheys on 1 g/cm |
Kaikista muista maapallon aineista kaasuilla on pienin tiheys. Nesteille on yleensä ominaista suurempi tiheys verrattuna niihin, ja tämän indikaattorin enimmäisarvo löytyy kiinteistä aineista. Esimerkiksi osmiumia pidetään tiheimpänä metallina.
Tiheyden mittaus
Tiheyden, samoin kuin muiden aihealueiden, tämän käsitteen mittaamiseksi on otettu käyttöön erityinen monimutkainen mittayksikkö, joka perustuu tiheyden suhteeseen aineen massaan ja tilavuuteen. Kansainvälisessä mittayksikköjärjestelmässä SI aineen tiheyttä kuvaava yksikkö on siis kilogramma kuutiometriä kohti, jota yleensä merkitään kg/m³.Kuitenkin erittäin pienten aineen tilavuuksien osalta, joiden tiheys on mitattava, käytetään tämän yleisesti hyväksytyn yksikön johdannaista, joka ilmaistaan grammoina kuutiosenttimetriä kohti. Lyhennettynä tämä yksikkö on yleensä merkitty g/cm³.
Lisäksi eri aineiden tiheydellä on taipumus muuttua lämpötilasta riippuen: useimmissa tapauksissa lämpötilan lasku merkitsee aineen tiheyden kasvua. Joten esimerkiksi tavallisen ilman lämpötilassa +20°C on tiheys 1,20 kg/m³, kun taas lämpötilan laskeessa 0°C:een sen tiheys kasvaa arvoon 1,29 kg/m³ ja edelleen pienentyessä -50°C ilman tiheys saavuttaa 1,58 kg/m³. Samaan aikaan jotkut aineet ovat poikkeus tästä säännöstä, koska niiden tiheyden muutos ei noudata määritettyä mallia: tämä sisältää esimerkiksi veden.
Aineiden tiheyden mittaamiseen käytetään erilaisia fysikaalisia laitteita. Voit esimerkiksi mitata nesteen tiheyden hydrometrillä, ja kiinteän tai kaasumaisen aineen tiheyden määrittämiseksi voit käyttää pyknometriä.
Monilla toimialoilla, samoin kuin rakentamisessa ja maataloudessa, käytetään käsitettä "materiaalitiheys". Tämä on laskettu määrä, joka on aineen massan suhde sen viemään tilavuuteen. Tietäen tämän parametrin esimerkiksi betonille, rakentajat voivat laskea tarvittavan määrän kaataessaan erilaisia teräsbetonirakenteita: rakennuspalikoita, kattoja, monoliittisia seiniä, pylväitä, suojasarkofageja, uima-altaita, sulkuja ja muita esineitä.
Kuinka määrittää tiheys
On tärkeää huomata, että määritettäessä rakennusmateriaalien tiheyttä voit käyttää erityisiä vertailutaulukoita, jotka antavat nämä arvot eri aineille. Myös laskentamenetelmiä ja -algoritmeja on kehitetty, jotka mahdollistavat tällaisten tietojen hankkimisen käytännössä, jos vertailumateriaalia ei ole saatavilla.
Tiheys määräytyy:
- nestemäiset kappaleet hydrometrilaitteella (esimerkiksi hyvin tunnettu prosessi auton akun elektrolyytin parametrien mittaamiseksi);
- kiinteät ja nestemäiset aineet käyttäen kaavaa, jonka massa- ja tilavuustiedot tunnetaan.
Kaikissa riippumattomissa laskelmissa on tietysti epätarkkuuksia, koska tilavuutta on vaikea määrittää luotettavasti, jos rungolla on epäsäännöllinen muoto.
Virheet tiheysmittauksissa
- Virhe on systemaattinen. Se näkyy jatkuvasti tai voi muuttua tietyn lain mukaan saman parametrin useiden mittausten prosessissa. Liittyy instrumentin asteikon virheeseen, laitteen alhaiseen herkkyyteen tai laskentakaavojen tarkkuusasteeseen. Joten esimerkiksi määrittämällä kehon massa painojen avulla ja jättämällä huomioimatta kelluntavoiman vaikutus, saadaan likimääräiset tiedot.
- Virhe on satunnainen. Se johtuu saapuvista syistä ja sillä on erilainen vaikutus määritettävien tietojen luotettavuuteen. Muutokset ympäristön lämpötilassa, ilmanpaineessa, huoneen tärinä, näkymätön säteily ja ilman värähtely näkyvät kaikki mittauksissa. Tällaista vaikutusta on mahdotonta täysin välttää.
- Virhe arvojen pyöristyksessä. Kun kaavojen laskennassa välitietoja saadaan, luvuissa on usein monta merkitsevää numeroa desimaalipilkun jälkeen. Tarve rajoittaa näiden merkkien määrää merkitsee virheen ilmenemistä. Tätä epätarkkuutta voidaan osittain pienentää jättämällä välilaskelmiin useita suuruusluokkaa enemmän lukuja kuin lopputulos vaatii.
- Laiminlyöntivirheet (miss) syntyvät virheellisistä laskelmista, mittausrajojen tai laitteen kokonaisuuden virheellisestä sisällyttämisestä sekä valvontatietueiden lukemattomuudesta. Tällä tavalla saadut tiedot voivat poiketa jyrkästi samalla tavalla suoritetuista laskelmista. Siksi ne tulisi poistaa ja työt tehdä uudelleen.
Todellinen tiheyden mittaus
Kun harkitset rakennusmateriaalin tiheyttä, sinun on otettava huomioon sen todellinen arvo. Eli kun yksikkötilavuuden aineen rakenne ei sisällä kuoria, onteloita ja vieraita sulkeumia. Käytännössä absoluuttista tasaisuutta ei ole, kun esimerkiksi betoni kaadetaan muottiin. Sen todellisen lujuuden määrittämiseksi, joka riippuu suoraan materiaalin tiheydestä, suoritetaan seuraavat toimenpiteet:
- Rakenne murskataan jauhemaiseen tilaan. Tässä vaiheessa huokoset poistetaan.
- Kuivaa yli 100 asteen lämpötiloissa ja poista jäljelle jäänyt kosteus näytteestä.
- Jäähdytä huoneenlämpötilaan ja seulo hienon siivilän läpi, jonka silmäkoko on 0,20 x 0,20 mm, jolloin jauhe on tasalaatuista.
- Saatu näyte punnitaan erittäin tarkalla elektronisella vaa'alla. Tilavuus lasketaan tilavuusmittarissa upottamalla nesterakenteeseen ja mittaamalla syrjäytynyt neste (pyknometrinen analyysi).
Laskenta suoritetaan seuraavan kaavan mukaan:
missä m on näytteen massa grammoina;
V on tilavuuden arvo cm3.
Tiheysmittaus kg/m 3 on usein sovellettavissa.
Keskimääräinen materiaalitiheys
Sen määrittämiseksi, kuinka rakennusmateriaalit käyttäytyvät todellisissa käyttöolosuhteissa kosteuden, positiivisten ja negatiivisten lämpötilojen sekä mekaanisten kuormien vaikutuksesta, sinun on käytettävä keskimääräistä tiheyttä. Se kuvaa materiaalien fysikaalista tilaa.
Jos todellinen tiheys on vakioarvo ja riippuu vain aineen kidehilan kemiallisesta koostumuksesta ja rakenteesta, keskimääräinen tiheys määräytyy rakenteen huokoisuuden mukaan. Se edustaa homogeenisessa tilassa olevan materiaalin massan suhdetta miehitetyn tilan tilavuuteen luonnollisissa olosuhteissa.
Keskimääräinen tiheys antaa insinöörille käsityksen elementtien mekaanisesta lujuudesta, kosteuden imeytymisnopeudesta, lämmönjohtavuuskertoimesta ja muista elementtien rakentamisessa käytetyistä tärkeistä tekijöistä.
Irtotiheyden käsite
Otettu käyttöön bulkkirakennusmateriaalien (hiekka, sora, paisutettu savi jne.) analysointiin. Indikaattori on tärkeä rakennusseoksen tiettyjen komponenttien kustannustehokkaan käytön laskennassa. Se näyttää aineen massan suhteen tilavuuteen, jonka se varaa löyhänä rakenteena.
Esimerkiksi, jos tunnetaan materiaalin rakeinen muoto ja rakeiden keskimääräinen tiheys, on onteloparametrin määrittäminen helppoa. Betonia valmistettaessa on suositeltavaa käyttää täyteainetta (sora, kivimurska, hiekka), jolla on vähemmän kuiva-aineen huokoisuutta, koska sen täyttämiseen käytetään perussementtimateriaalia, mikä lisää kustannuksia.
Joidenkin materiaalien tiheysindikaattorit
Jos otamme lasketut tiedot joistakin taulukoista, niin niissä:
- kalsiumia, piitä ja alumiinioksideja sisältävien materiaalien määrä vaihtelee 2400-3100 kg/m 3.
- Selluloosapohjaiset puulajit - 1550 kg / m 3.
- Orgaaniset (hiili, happi, vety) - 800-1400 kg per m 3.
- Metallit: teräs - 7850, alumiini - 2700, lyijy - 11300 kg/m 3.
Nykyaikaisissa talonrakennustekniikoissa materiaalitiheysindikaattori on tärkeä kantavien rakenteiden lujuuden kannalta. Kaikki lämpöä eristävät ja kosteutta eristävät toiminnot suoritetaan pienitiheyksisillä materiaaleilla, joissa on suljettu solurakenne.
Kaikki ympärillämme koostuu erilaisista aineista. Laivat ja kylpylät rakennetaan puusta, silitysraudat ja -sängyt on tehty raudasta, renkaat pyörissä ja pyyhekumit lyijykynissä kumista. Ja eri esineillä on erilaiset painot - kuka tahansa meistä voi helposti kantaa mehukkaan kypsän melonin markkinoilta, mutta meidän täytyy hikoilla saman kokoisen painon yli.
Kaikki muistavat kuuluisan vitsin: "Kumpi on raskaampaa? Kilo kynsiä vai kilo nukkaa? Emme enää sorru tähän lapselliseen temppuun, tiedämme, että molempien paino on sama, mutta tilavuus on huomattavasti erilainen. Miksi näin tapahtuu? Miksi eri kappaleilla ja aineilla on eri paino samassa koossa? Tai päinvastoin, sama paino eri kokoisilla? Ilmeisesti on olemassa jokin ominaisuus, jonka vuoksi aineet eroavat toisistaan niin paljon. Fysiikassa tätä ominaisuutta kutsutaan aineen tiheydeksi ja sitä opetetaan seitsemännellä luokalla.
Aineen tiheys: määritelmä ja kaava
Aineen tiheyden määritelmä on seuraava: tiheys osoittaa, mikä aineen massa on tilavuusyksikössä, esimerkiksi kuutiometrissä. Veden tiheys on siis 1000 kg/m3 ja jään 900 kg/m3, minkä vuoksi jää on kevyempää ja talvella altaiden päällä. Eli mitä aineen tiheys osoittaa meille tässä tapauksessa? 900 kg/m3 jään tiheys tarkoittaa, että 1 metrin sivuinen jääkuutio painaa 900 kg. Ja kaava aineen tiheyden määrittämiseksi on seuraava: tiheys = massa/tilavuus. Tähän lausekkeeseen sisältyvät suureet on merkitty seuraavasti: massa - m, kappaleen tilavuus - V ja tiheys on merkitty kirjaimella ρ (kreikkalainen kirjain "rho"). Ja kaava voidaan kirjoittaa seuraavasti:
Kuinka löytää aineen tiheys
Kuinka löytää tai laskea aineen tiheys? Tätä varten sinun on tiedettävä kehon tilavuus ja paino. Eli mittaamme aineen, punnitsemme sen ja korvaamme sitten saadut tiedot kaavassa ja löydämme tarvitsemamme arvon. Ja kuinka aineen tiheys mitataan, käy selväksi kaavasta. Se mitataan kilogrammoina kuutiometrissä. Joskus he käyttävät myös arvoa, kuten grammaa kuutiosenttimetriä kohti. Arvon muuntaminen toiseksi on hyvin yksinkertaista. 1 g = 0,001 kg ja 1 cm3 = 0,000001 m3. Vastaavasti 1 g/(cm)^3 = 1000 kg/m^3. On myös muistettava, että aineen tiheys on erilainen eri aggregaatiotiloissa. Eli kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa muodossa. Kiinteiden aineiden tiheys on useimmiten korkeampi kuin nesteiden tiheys ja paljon suurempi kuin kaasujen tiheys. Ehkä meille erittäin hyödyllinen poikkeus on vesi, joka, kuten olemme jo käsitelleet, painaa vähemmän kiinteässä tilassa kuin nestemäisessä tilassa. Tämän veden oudon ominaisuuden ansiosta elämä on mahdollista maan päällä. Elämä planeetallamme, kuten tiedämme, syntyi valtameristä. Ja jos vesi käyttäytyisi kuten kaikki muut aineet, niin merien ja valtamerten vesi jäätyisi läpi, jää, joka on vettä raskaampi, vajoaisi pohjaan ja makaa siellä sulamatta. Ja vain päiväntasaajalla, pienessä vesipatsassa, olisi elämää useiden bakteerilajien muodossa. Joten voimme kiittää vettä olemassaolostamme.
