Densitatea se numește de obicei o mărime fizică care determină raportul dintre masa unui obiect, substanță sau lichid și volumul pe care îl ocupă în spațiu. Să vorbim despre ce este densitatea, cum diferă densitatea unui corp și a unei substanțe și cum (folosind ce formulă) să găsim densitatea în fizică.
Tipuri de densitate
Trebuie clarificat faptul că densitatea poate fi împărțită în mai multe tipuri.
În funcție de obiectul studiat:
- Densitatea unui corp - pentru corpurile omogene - este raportul direct dintre masa unui corp și volumul său ocupat în spațiu.
- Densitatea unei substanțe este densitatea corpurilor formate din această substanță. Densitatea substanțelor este constantă. Există tabele speciale care indică densitatea diferitelor substanțe. De exemplu, densitatea aluminiului este de 2,7 * 103 kg/m3. Cunoscând densitatea aluminiului și masa corpului care este format din acesta, putem calcula volumul acestui corp. Sau, știind că corpul este format din aluminiu și cunoscând volumul acestui corp, putem calcula cu ușurință masa acestuia. Vom privi cum să găsim aceste cantități puțin mai târziu, când vom obține o formulă pentru calcularea densității.
- Dacă un corp este format din mai multe substanțe, atunci pentru a-și determina densitatea este necesar să se calculeze separat densitatea părților sale pentru fiecare substanță. Această densitate se numește densitatea medie a corpului.
În funcție de porozitatea substanței din care este compus corpul:
- Densitatea adevărată este densitatea care se calculează fără a lua în considerare golurile din corp.
- Greutatea specifică - sau densitatea aparentă - este cea care se calculează luând în considerare golurile unui corp format dintr-o substanță poroasă sau sfărâmicioasă.
Deci, cum găsești densitatea?
Formula de calcul a densității
Formula care ajută la găsirea densității unui corp este următoarea:
- p = m / V, unde p este densitatea substanței, m este masa corpului, V este volumul corpului în spațiu.
Dacă calculăm densitatea unui anumit gaz, formula va arăta astfel:
- p = M / V m p - densitatea gazului, M - masa molară a gazului, V m - volumul molar, care în condiții normale este de 22,4 l/mol.
Exemplu: masa unei substanțe este de 15 kg, ocupă 5 litri. Care este densitatea substanței?
Soluție: înlocuiți valorile în formulă
- p = 15 / 5 = 3 (kg/l)
Răspuns: densitatea substanței este de 3 kg/l
Unități de densitate
Pe lângă faptul că știi cum să găsești densitatea unui corp și a unei substanțe, trebuie să cunoști și unitățile de măsură ale densității.
- Pentru solide - kg/m3, g/cm3
- Pentru lichide - 1 g/l sau 10 3 kg/m 3
- Pentru gaze - 1 g/l sau 10 3 kg/m 3
Puteți citi mai multe despre unitățile de densitate în articolul nostru.
Cum să găsiți densitatea acasă
Pentru a găsi densitatea unui corp sau a unei substanțe acasă, veți avea nevoie de:
- Cântare;
- Centimetru dacă corpul este solid;
- Un vas dacă doriți să măsurați densitatea unui lichid.
Pentru a găsi densitatea unui corp acasă, trebuie să-i măsurați volumul folosind un centimetru sau un vas, apoi puneți corpul pe cântar. Dacă măsurați densitatea unui lichid, asigurați-vă că scădeți masa recipientului în care ați turnat lichidul înainte de a face calculele. Este mult mai dificil să calculați densitatea gazelor acasă; vă recomandăm să folosiți tabele gata făcute care indică deja densitățile diferitelor gaze.
DEFINIȚIE
Densitate este o mărime fizică scalară, care este definită ca raportul dintre masa unui corp și volumul pe care îl ocupă.
Această cantitate este de obicei notă cu litera greacă r sau cu literele latine D și d. Unitatea de măsură pentru densitate în sistemul SI este considerată kg/m 3 , iar în GHS - g/cm 3 .
Densitatea poate fi calculată folosind formula:
Raportul dintre masa unui gaz dat și masa altui gaz luată în același volum, la aceeași temperatură și aceeași presiune se numește densitatea relativă a primului gaz față de al doilea.
De exemplu, în condiții normale, masa dioxidului de carbon într-un volum de 1 litru este de 1,98 g, iar masa hidrogenului în același volum și în aceleași condiții este de 0,09 g, din care densitatea dioxidului de carbon prin hidrogen va fi: 1.98 / 0. 09 = 22.
Cum se calculează densitatea unei substanțe
Să notăm cu litera D densitatea relativă a gazului m 1 / m 2. Atunci
Prin urmare, masa molară a unui gaz este egală cu densitatea acestuia față de alt gaz, înmulțită cu masa molară a celui de-al doilea gaz.
Adesea, densitățile diferitelor gaze sunt determinate în raport cu hidrogenul, fiind cel mai ușor dintre toate gazele. Deoarece masa molară a hidrogenului este de 2,0158 g/mol, în acest caz ecuația pentru calcularea maselor molare ia forma:
sau, dacă rotunjim masa molară a hidrogenului la 2:
Calculând, de exemplu, folosind această ecuație, masa molară a dioxidului de carbon, a cărei densitate pentru hidrogen, așa cum este indicat mai sus, este 22, găsim:
M(CO2) = 2 × 22 = 44 g/mol.
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
| Exercițiu | Calculați volumul de apă și masa de clorură de sodiu NaCl care vor fi necesare pentru prepararea a 250 ml dintr-o soluție 0,7 M. Luați densitatea soluției egală cu 1 g/cm. Care este fracția de masă a clorurii de sodiu din această soluție? |
| Soluţie | O concentrație molară a unei soluții egală cu 0,7 M indică faptul că 1000 ml de soluție conține 0,7 mol de sare. Apoi, puteți afla cantitatea de substanță de sare din 250 ml din această soluție: n(NaCl) = V soluție (NaCl) × C M (NaCl); n(NaCl) = 250 × 0,7 / 1000 = 0,175 mol. Să aflăm masa a 0,175 mol clorură de sodiu: M(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol. m(NaCl) = n(NaCl) × M(NaCI); m(NaCl) = 0,175 × 58,5 = 10,2375 g. Să calculăm masa de apă necesară pentru a obține 250 ml de soluție de clorură de sodiu 0,7 M: r = m soluție / V; m soluție = V ×r = 250 × 1 = 250 g. m(H20) = 250 - 10,2375 = 239,7625 g. |
| Răspuns | Masa apei este de 239,7625 g, volumul este aceeași valoare, deoarece densitatea apei este de 1 g/cm |
EXEMPLUL 2
| Exercițiu | Calculați volumul de apă și masa de azotat de potasiu KNO 3 care vor fi necesare pentru prepararea a 150 ml dintr-o soluție 0,5 M. Luați densitatea soluției egală cu 1 g/cm. Care este fracția de masă a nitratului de potasiu într-o astfel de soluție? |
| Soluţie | O concentrație molară a unei soluții egală cu 0,5 M indică faptul că 1000 ml de soluție conține 0,7 mol de sare. Apoi, puteți afla cantitatea de sare din 150 ml din această soluție: n(KNO 3) = V soluție (KNO 3) × C M (KNO 3); n(KNO 3) = 150 × 0,5 / 1000 = 0,075 mol. Să aflăm masa a 0,075 mol de azotat de potasiu: M(KNO 3) = Ar(K) + Ar(N) + 3×Ar(O) = 39 + 14 + 3×16 = 53 + 48 = 154 g/mol. m(KNO3) = n(KNO3) × M(KNO3); m(KNO 3) = 0,075 × 154 = 11,55 g. Să calculăm masa de apă necesară pentru a obține 150 ml dintr-o soluție 0,5 M de azotat de potasiu: r = m soluție / V; m soluție = V ×r = 150 ×1 = 150 g. m(H20) = m soluţie - m(NaCI); m(H20) = 150 - 11,55 = 138,45 g. |
| Răspuns | Masa apei este de 138,45 g, volumul este aceeași valoare, deoarece densitatea apei este de 1 g/cm |
Dintre toate celelalte substanțe de pe planeta Pământ, gazele au cea mai mică densitate. Lichidele, de regulă, se caracterizează printr-o densitate mai mare în comparație cu acestea, iar valoarea maximă a acestui indicator poate fi găsită în solide. De exemplu, osmiul este considerat a fi cel mai dens metal.
Măsurarea densității
Pentru a măsura densitatea, precum și alte domenii, acest concept, a fost adoptată o unitate de măsură complexă specială, bazată pe relația densității cu masa și volumul unei substanțe. Astfel, în sistemul internațional de unități de măsură SI, unitatea folosită pentru a descrie densitatea unei substanțe este kilogramul pe metru cub, care este de obicei notat cu kg/m³.Cu toate acestea, în cazul unor volume foarte mici ale unei substanțe pentru care este necesară măsurarea densității, se folosește utilizarea unui derivat al acestei unități general acceptate, exprimat ca număr de grame pe centimetru cub. Într-o formă prescurtată, această unitate este de obicei indicată g/cm³.
Mai mult, densitatea diferitelor substanțe tinde să se modifice în funcție de temperatură: în majoritatea cazurilor, o scădere a temperaturii atrage după sine o creștere a densității substanței. Deci, de exemplu, aerul obișnuit la o temperatură de +20 °C are o densitate egală cu 1,20 kg/m³, în timp ce atunci când temperatura scade la 0 °C densitatea sa va crește la 1,29 kg/m³, iar cu o scădere suplimentară la 0 °C. -50°C densitatea aerului va ajunge la 1,58 kg/m³. În același timp, unele substanțe sunt o excepție de la această regulă, deoarece modificarea densității lor nu respectă modelul specificat: aceasta include, de exemplu, apa.
Pentru măsurarea densității substanțelor se folosesc diverse instrumente fizice. De exemplu, puteți măsura densitatea unui lichid cu ajutorul unui hidrometru, iar pentru a determina densitatea unei substanțe solide sau gazoase, puteți folosi un picnometru.
În multe ramuri ale producției industriale, precum și în construcții și agricultură, este utilizat conceptul de „densitate materială”. Aceasta este o cantitate calculată care este raportul dintre masa unei substanțe și volumul pe care îl ocupă. Cunoscând acest parametru, de exemplu, pentru beton, constructorii pot calcula cantitatea necesară la turnarea diferitelor structuri din beton armat: blocuri de construcție, tavane, pereți monolitici, coloane, sarcofage de protecție, piscine, ecluze și alte obiecte.
Cum se determină densitatea
Este important de reținut că atunci când determinați densitatea materialelor de construcție, puteți utiliza tabele de referință speciale care oferă aceste valori pentru diferite substanțe. De asemenea, au fost dezvoltate metode de calcul și algoritmi care fac posibilă obținerea unor astfel de date în practică dacă nu există acces la materiale de referință.
Densitatea este determinată de:
- corpuri lichide cu un dispozitiv hidrometru (de exemplu, procesul binecunoscut de măsurare a parametrilor electrolitului bateriei unei mașini);
- substanțe solide și lichide folosind o formulă cu date inițiale cunoscute de masă și volum.
Toate calculele independente, desigur, vor avea inexactități, deoarece este dificil să se determine în mod fiabil volumul dacă corpul are o formă neregulată.
Erori în măsurătorile densității
- Eroarea este sistematică. Apare constant sau se poate modifica conform unei anumite legi în procesul mai multor măsurători ale aceluiași parametru. Asociat cu eroarea scalei instrumentului, sensibilitatea scăzută a dispozitivului sau gradul de precizie al formulelor de calcul. Deci, de exemplu, determinând masa corporală folosind greutăți și ignorând efectul forței de plutire, datele sunt obținute aproximativ.
- Eroarea este aleatorie. Este cauzată de motive primite și are un impact diferit asupra fiabilității datelor care sunt determinate. Modificările de temperatură ambientală, presiunea atmosferică, vibrațiile camerei, radiațiile invizibile și vibrațiile aerului sunt toate reflectate în măsurători. Este imposibil să evitați complet o astfel de influență.
- Eroare la rotunjirea valorilor. La obținerea datelor intermediare în calculul formulelor, numerele au adesea multe cifre semnificative după virgulă. Necesitatea limitării numărului acestor caractere implică apariția unei erori. Această inexactitate poate fi parțial redusă lăsând în calculele intermediare mai multe ordine de mărime decât cele cerute de rezultatul final.
- Erorile de neglijență (eșecuri) apar din cauza calculelor eronate, includerii incorecte a limitelor de măsurare sau a dispozitivului în ansamblu și ilizibilitatea înregistrărilor de control. Datele obținute în acest fel pot diferi foarte mult de calculele efectuate în mod similar. Prin urmare, acestea ar trebui eliminate și lucrarea făcută din nou.
Măsurarea densității adevărate
Când luați în considerare densitatea unui material de construcție, trebuie să luați în considerare valoarea reală a acestuia. Adică, atunci când structura unei substanțe dintr-o unitate de volum nu conține cochilii, goluri și incluziuni străine. În practică, nu există o uniformitate absolută atunci când, de exemplu, betonul este turnat într-o matriță. Pentru a determina rezistența sa reală, care depinde direct de densitatea materialului, se efectuează următoarele operații:
- Structura este zdrobită până la o stare de pulbere. În această etapă, porii sunt îndepărtați.
- Uscați la temperaturi peste 100 de grade și îndepărtați orice umiditate rămasă din probă.
- Se răcește la temperatura camerei și se trece printr-o sită fină cu dimensiunea ochiului de 0,20 x 0,20 mm, dând uniformitate pulberii.
- Proba rezultată este cântărită pe un cântar electronic de înaltă precizie. Volumul se calculează într-un contor de volum prin imersarea într-o structură lichidă și măsurarea lichidului deplasat (analiza picnometrică).
Calculul se efectuează după formula:
unde m este masa probei în g;
V este valoarea volumului în cm3.
Măsurarea densității în kg/m 3 este adesea aplicabilă.
Densitatea medie a materialului
Pentru a determina modul în care materialele de construcție se comportă în condiții reale de funcționare sub influența umidității, a temperaturilor pozitive și negative și a sarcinilor mecanice, trebuie să utilizați densitatea medie. Caracterizează starea fizică a materialelor.
Dacă densitatea adevărată este o valoare constantă și depinde numai de compoziția chimică și structura rețelei cristaline a substanței, atunci densitatea medie este determinată de porozitatea structurii. Reprezintă raportul dintre masa unui material în stare omogenă și volumul spațiului ocupat în condiții naturale.
Densitatea medie oferă inginerului o idee despre rezistența mecanică, rata de absorbție a umidității, coeficientul de conductivitate termică și alți factori importanți utilizați în construcția elementelor.
Conceptul de densitate în vrac
Introdus pentru analiza materialelor de construcție în vrac (nisip, pietriș, argilă expandată etc.). Indicatorul este important pentru calcularea utilizării rentabile a anumitor componente ale unui amestec de clădiri. Arată raportul dintre masa unei substanțe și volumul pe care îl ocupă într-o stare de structură liberă.
De exemplu, dacă se cunosc forma granulară a materialului și densitatea medie a boabelor, atunci este ușor de determinat parametrul de golire. La producerea betonului, este mai indicat să folosiți un material de umplutură (pietriș, piatră zdrobită, nisip) care are mai puțină porozitate a substanței uscate, deoarece materialul de bază de ciment va fi folosit pentru umplerea acestuia, ceea ce va crește costul.
Indicatori de densitate ai unor materiale
Dacă luăm datele calculate din unele tabele, atunci în ele:
- materialele care conțin oxizi de calciu, siliciu și aluminiu variază de la 2400 la 3100 kg pe m3.
- Specii de lemn cu bază de celuloză - 1550 kg pe m 3.
- Organice (carbon, oxigen, hidrogen) - 800-1400 kg pe m 3.
- Metale: oțel - 7850, aluminiu - 2700, plumb - 11300 kg pe m3.
Cu tehnologiile moderne de construcție a clădirilor, indicatorul densității materialelor este important din punctul de vedere al rezistenței structurilor portante. Toate funcțiile de izolare termică și de izolare la umiditate sunt realizate de materiale cu densitate scăzută cu o structură cu celule închise.
Totul în jurul nostru este format din diferite substanțe. Navele și băile sunt construite din lemn, fiarele și pătuțurile din fier, cauciucurile pe roți și radierele pe creioane sunt din cauciuc. Și diferite obiecte au greutăți diferite - oricare dintre noi poate căra cu ușurință un pepene galben copt de pe piață, dar va trebui să transpirăm peste o greutate de aceeași dimensiune.
Toată lumea își amintește de celebra glumă: „Care este mai greu? Un kilogram de unghii sau un kilogram de puf? Nu ne vom mai îndrăgi de acest truc copilăresc, știm că greutatea ambelor va fi aceeași, dar volumul va fi semnificativ diferit. Deci de ce se întâmplă asta? De ce corpuri și substanțe diferite au greutăți diferite cu aceeași dimensiune? Sau invers, aceeași greutate cu dimensiuni diferite? Evident, există o caracteristică datorită căreia substanțele sunt atât de diferite unele de altele. În fizică, această caracteristică se numește densitatea materiei și este predată în clasa a șaptea.
Densitatea unei substanțe: definiție și formulă
Definiția densității unei substanțe este următoarea: densitatea arată care este masa unei substanțe într-o unitate de volum, de exemplu, într-un metru cub. Deci, densitatea apei este de 1000 kg/m3, iar gheața este de 900 kg/m3, motiv pentru care gheața este mai ușoară și se află deasupra rezervoarelor iarna. Adică ce ne arată densitatea materiei în acest caz? O densitate a gheții de 900 kg/m3 înseamnă că un cub de gheață cu laturile de 1 metru cântărește 900 kg. Iar formula pentru determinarea densității unei substanțe este următoarea: densitate = masa/volum. Cantitățile incluse în această expresie sunt desemnate după cum urmează: masa - m, volumul corpului - V, iar densitatea este desemnată prin litera ρ (litera greacă „rho”). Și formula poate fi scrisă după cum urmează:
Cum se află densitatea unei substanțe
Cum se găsește sau se calculează densitatea unei substanțe? Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți volumul și greutatea corporală. Adică, măsurăm substanța, o cântărim și apoi pur și simplu substituim datele obținute în formulă și găsim valoarea de care avem nevoie. Și modul în care se măsoară densitatea unei substanțe este clar din formulă. Se măsoară în kilograme pe metru cub. Uneori folosesc și o valoare precum gramele pe centimetru cub. Convertirea unei valori în alta este foarte simplă. 1 g = 0,001 kg și 1 cm3 = 0,000001 m3. În consecință, 1 g/(cm)^3 =1000kg/m^3. De asemenea, trebuie amintit că densitatea unei substanțe este diferită în diferite stări de agregare. Adică sub formă solidă, lichidă sau gazoasă. Densitatea solidelor este cel mai adesea mai mare decât densitatea lichidelor și mult mai mare decât densitatea gazelor. Poate că o excepție foarte utilă pentru noi este apa, care, așa cum am considerat deja, cântărește mai puțin în stare solidă decât în stare lichidă. Din cauza acestei caracteristici ciudate a apei este posibilă viața pe Pământ. Viața de pe planeta noastră, după cum știm, provine din oceane. Și dacă apa s-ar comporta ca toate celelalte substanțe, atunci apa din mări și oceane ar îngheța, gheața, fiind mai grea decât apa, s-ar scufunda în fund și s-ar afla acolo fără să se topească. Și numai la ecuator, într-o mică coloană de apă, viața ar exista sub forma mai multor specii de bacterii. Așa că putem să-i mulțumim apei pentru existența noastră.
