Hustota sa zvyčajne nazýva fyzikálna veličina, ktorá určuje pomer hmotnosti predmetu, látky alebo kvapaliny k objemu, ktorý zaberá v priestore. Povedzme si, čo je hustota, ako sa líši hustota telesa a látky a ako (pomocou akého vzorca) nájsť hustotu vo fyzike.
Druhy hustoty
Malo by sa objasniť, že hustotu možno rozdeliť do niekoľkých typov.
V závislosti od skúmaného objektu:
- Hustota telesa - pre homogénne telesá - je priamym pomerom hmotnosti telesa k jeho objemu zaberanému v priestore.
- Hustota látky je hustota telies pozostávajúcich z tejto látky. Hustota látok je konštantná. Existujú špeciálne tabuľky, ktoré označujú hustotu rôznych látok. Napríklad hustota hliníka je 2,7 x 103 kg / m3. Keď poznáme hustotu hliníka a hmotnosť telesa, ktoré je z neho vyrobené, môžeme vypočítať objem tohto telesa. Alebo, keď vieme, že telo pozostáva z hliníka a poznáme objem tohto tela, môžeme ľahko vypočítať jeho hmotnosť. Na to, ako tieto veličiny nájsť, sa pozrieme o niečo neskôr, keď odvodíme vzorec na výpočet hustoty.
- Ak sa teleso skladá z niekoľkých látok, potom na určenie jeho hustoty je potrebné vypočítať hustotu jeho častí pre každú látku samostatne. Táto hustota sa nazýva priemerná hustota telesa.
V závislosti od pórovitosti látky, z ktorej sa telo skladá:
- Skutočná hustota je hustota, ktorá sa vypočíta bez zohľadnenia dutín v tele.
- Špecifická hmotnosť - alebo zdanlivá hustota - je taká, ktorá sa vypočíta s prihliadnutím na dutiny telesa pozostávajúceho z poréznej alebo drobivej látky.
Ako teda zistíte hustotu?
Vzorec na výpočet hustoty
Vzorec, ktorý vám pomôže nájsť hustotu telesa, je nasledujúci:
- p = m / V, kde p je hustota látky, m je hmotnosť telesa, V je objem telesa v priestore.
Ak vypočítame hustotu konkrétneho plynu, vzorec bude vyzerať takto:
- p = M / V m p - hustota plynu, M - molárna hmotnosť plynu, V m - molárny objem, ktorý je za normálnych podmienok 22,4 l/mol.
Príklad: hmotnosť látky je 15 kg, zaberá 5 litrov. Aká je hustota látky?
Riešenie: nahraďte hodnoty do vzorca
- p = 15 / 5 = 3 (kg/l)
Odpoveď: hustota látky je 3 kg/l
Jednotky hustoty
Okrem toho, že viete, ako nájsť hustotu telesa a látky, musíte poznať aj jednotky merania hustoty.
- Pre tuhé látky - kg/m 3, g/cm 3
- Pre tekutiny - 1 g/l alebo 10 3 kg/m3
- Pre plyny - 1 g/l alebo 10 3 kg/m3
Viac o jednotkách hustoty si môžete prečítať v našom článku.
Ako nájsť hustotu doma
Na zistenie hustoty telesa alebo látky doma budete potrebovať:
- Váhy;
- Centimeter, ak je telo pevné;
- Nádoba, ak chcete merať hustotu kvapaliny.
Ak chcete zistiť hustotu tela doma, musíte zmerať jeho objem pomocou centimetra alebo nádoby a potom umiestniť telo na váhu. Ak meriate hustotu kvapaliny, nezabudnite pred výpočtami odpočítať hmotnosť nádoby, do ktorej ste kvapalinu naliali. Je oveľa ťažšie vypočítať hustotu plynov doma, odporúčame použiť hotové tabuľky, ktoré už uvádzajú hustoty rôznych plynov.
DEFINÍCIA
Hustota je skalárna fyzikálna veličina, ktorá je definovaná ako pomer hmotnosti telesa k objemu, ktorý zaberá.
Toto množstvo sa zvyčajne označuje gréckym písmenom r alebo latinskými písmenami D a d. Jednotka merania hustoty v systéme SI sa považuje za kg/m 3 a v GHS - g/cm 3 .
Hustotu možno vypočítať pomocou vzorca:
Pomer hmotnosti daného plynu k hmotnosti iného plynu odobratého v rovnakom objeme, pri rovnakej teplote a rovnakom tlaku sa nazýva relatívna hustota prvého plynu k druhému.
Napríklad za normálnych podmienok je hmotnosť oxidu uhličitého v objeme 1 liter 1,98 g a hmotnosť vodíka v rovnakom objeme a za rovnakých podmienok je 0,09 g, z čoho bude hustota oxidu uhličitého vodíkom byť: 1,98 / 0,09 = 22.
Ako vypočítať hustotu látky
Označme relatívnu hustotu plynu m 1 / m 2 písmenom D. Potom
Preto sa molárna hmotnosť plynu rovná jeho hustote vo vzťahu k inému plynu, vynásobenej molárnou hmotnosťou druhého plynu.
Hustoty rôznych plynov sa často určujú vo vzťahu k vodíku ako najľahšiemu zo všetkých plynov. Pretože molárna hmotnosť vodíka je 2,0158 g/mol, rovnica na výpočet molárnych hmotností má v tomto prípade tvar:
alebo ak zaokrúhlime molárnu hmotnosť vodíka na 2:
Výpočtom napríklad pomocou tejto rovnice molárnej hmotnosti oxidu uhličitého, ktorého hustota pre vodík, ako je uvedené vyššie, je 22, zistíme:
M(C02) = 2 x 22 = 44 g/mol.
Príklady riešenia problémov
PRÍKLAD 1
| Cvičenie | Vypočítajte objem vody a hmotnosť chloridu sodného NaCl, ktoré budú potrebné na prípravu 250 ml 0,7 M roztoku. Vezmite hustotu roztoku rovnajúcu sa 1 g / cm. Aký je hmotnostný zlomok chloridu sodného v tomto roztoku? |
| Riešenie | Molárna koncentrácia roztoku rovnajúca sa 0,7 M znamená, že 1000 ml roztoku obsahuje 0,7 mol soli. Potom môžete zistiť množstvo soli v 250 ml tohto roztoku: n(NaCl) = V roztok (NaCl) x CM (NaCl); n(NaCl) = 250 x 0,7/1000 = 0,175 mol. Nájdite hmotnosť 0,175 mol chloridu sodného: M(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol. m(NaCl) = n(NaCl) x M(NaCl); m(NaCl) = 0,175 x 58,5 = 10,2375 g. Vypočítajme hmotnosť vody potrebnej na získanie 250 ml 0,7 M roztoku chloridu sodného: r = m roztok/V; m roztok = V x r = 250 x 1 = 250 g. m(H20) = 250 - 10,2375 = 239,7625 g. |
| Odpoveď | Hmotnosť vody je 239,7625 g, objem je rovnaký, keďže hustota vody je 1 g/cm |
PRÍKLAD 2
| Cvičenie | Vypočítajte objem vody a hmotnosť dusičnanu draselného KNO 3, ktoré budú potrebné na prípravu 150 ml 0,5 M roztoku. Vezmite hustotu roztoku rovnajúcu sa 1 g / cm. Aký je hmotnostný zlomok dusičnanu draselného v takomto roztoku? |
| Riešenie | Molárna koncentrácia roztoku rovnajúca sa 0,5 M znamená, že 1000 ml roztoku obsahuje 0,7 mol soli. Potom môžete zistiť množstvo soli v 150 ml tohto roztoku: n(KN03) = V roztok (KN03) x CM (KN03); n(KN03) = 150 x 0,5/1000 = 0,075 mol. Nájdite hmotnosť 0,075 mol dusičnanu draselného: M(KN03) = Ar(K) + Ar(N) + 3 x Ar(0) = 39 + 14 + 3 x 16 = 53 + 48 = 154 g/mol. m(KN03) = n(KN03) x M(KN03); m(KN03) = 0,075 x 154 = 11,55 g. Vypočítajme hmotnosť vody potrebnej na získanie 150 ml 0,5 M roztoku dusičnanu draselného: r = m roztok/V; m roztoku = V x r = 150 x 1 = 150 g. m(H20) = m roztok - m(NaCl); m(H20) = 150 - 11,55 = 138,45 g. |
| Odpoveď | Hmotnosť vody je 138,45 g, objem je rovnaký, pretože hustota vody je 1 g / cm |
Spomedzi všetkých ostatných látok na planéte Zem majú plyny najnižšiu hustotu. Kvapaliny sa spravidla vyznačujú vyššou hustotou v porovnaní s nimi a maximálnu hodnotu tohto ukazovateľa možno nájsť v tuhých látkach. Napríklad osmium sa považuje za najhustejší kov.
Meranie hustoty
Na meranie hustoty, ako aj iných tematických oblastí, bola prijatá táto koncepcia, špeciálna komplexná jednotka merania, založená na vzťahu hustoty s hmotnosťou a objemom látky. V medzinárodnom systéme meracích jednotiek SI je teda jednotka používaná na opis hustoty látky kilogram na meter kubický, čo sa zvyčajne označuje ako kg/m³.V prípade veľmi malých objemov látky, pre ktorú je potrebné merať hustotu, sa však používa derivát tejto všeobecne akceptovanej jednotky vyjadrený ako počet gramov na centimeter kubický. V skrátenej forme sa táto jednotka zvyčajne označuje g/cm³.
Okrem toho má hustota rôznych látok tendenciu meniť sa v závislosti od teploty: vo väčšine prípadov zníženie teploty znamená zvýšenie hustoty látky. Takže napríklad obyčajný vzduch s teplotou +20°C má hustotu rovnajúcu sa 1,20 kg/m³, pričom pri poklese teploty na 0°C sa jeho hustota zvýši na 1,29 kg/m³ a pri ďalšom poklese na -50°C hustota vzduchu dosiahne 1,58 kg/m³. Niektoré látky sú zároveň výnimkou z tohto pravidla, pretože zmena ich hustoty sa neriadi špecifikovaným vzorcom: sem patrí napríklad voda.
Na meranie hustoty látok sa používajú rôzne fyzikálne prístroje. Môžete napríklad merať hustotu kvapaliny pomocou hustomera a na určenie hustoty pevnej alebo plynnej látky môžete použiť pyknometer.
V mnohých odvetviach priemyselnej výroby, ako aj v stavebníctve a poľnohospodárstve sa používa pojem „hustota materiálu“. Toto je vypočítané množstvo, ktoré je pomerom hmotnosti látky k objemu, ktorý zaberá. Po znalosti tohto parametra, napríklad pre betón, môžu stavitelia vypočítať požadované množstvo pri nalievaní rôznych železobetónových konštrukcií: stavebné bloky, stropy, monolitické steny, stĺpy, ochranné sarkofágy, bazény, stavidlá a iné predmety.
Ako určiť hustotu
Je dôležité poznamenať, že pri určovaní hustoty stavebných materiálov môžete použiť špeciálne referenčné tabuľky, ktoré udávajú tieto hodnoty pre rôzne látky. Boli vyvinuté aj výpočtové metódy a algoritmy, ktoré umožňujú získať takéto údaje v praxi, ak nie je prístup k referenčným materiálom.
Hustota je určená:
- tekuté telesá s hustomerným zariadením (napríklad známy proces merania parametrov elektrolytu autobatérie);
- tuhé a kvapalné látky pomocou vzorca so známymi počiatočnými údajmi o hmotnosti a objeme.
Všetky nezávislé výpočty budú mať samozrejme nepresnosti, pretože je ťažké spoľahlivo určiť objem, ak má telo nepravidelný tvar.
Chyby v meraní hustoty
- Chyba je systematická. Objavuje sa neustále alebo sa môže meniť podľa určitého zákona v procese niekoľkých meraní toho istého parametra. Súvisí s chybou stupnice prístroja, nízkou citlivosťou prístroja alebo stupňom presnosti výpočtových vzorcov. Takže napríklad určením telesnej hmotnosti pomocou váh a ignorovaním účinku vztlakovej sily sa údaje získajú približné.
- Chyba je náhodná. Je to spôsobené prichádzajúcimi dôvodmi a má odlišný vplyv na spoľahlivosť určovaných údajov. Zmeny okolitej teploty, atmosférického tlaku, vibrácií v miestnosti, neviditeľného žiarenia a vibrácií vzduchu, to všetko sa odráža v meraniach. Nie je možné úplne sa vyhnúť takémuto vplyvu.
- Chyba pri zaokrúhľovaní hodnôt. Pri získavaní prechodných údajov pri výpočte vzorcov majú čísla často za desatinnou čiarkou veľa platných číslic. Potreba obmedziť počet týchto znakov znamená výskyt chyby. Túto nepresnosť možno čiastočne znížiť tým, že sa v medzivýpočtoch ponechá o niekoľko rádov viac čísel, než vyžaduje konečný výsledok.
- Chyby z nedbanlivosti (chyby) vznikajú v dôsledku chybných výpočtov, nesprávneho zahrnutia limitov merania alebo zariadenia ako celku a nečitateľnosti kontrolných záznamov. Takto získané údaje sa môžu výrazne líšiť od podobne vykonaných výpočtov. Preto by mali byť odstránené a práca vykonaná znova.
Skutočné meranie hustoty
Pri zvažovaní hustoty stavebného materiálu musíte vziať do úvahy jeho skutočnú hodnotu. To znamená, keď štruktúra látky jednotkového objemu neobsahuje škrupiny, dutiny a cudzie inklúzie. V praxi neexistuje absolútna rovnomernosť, keď sa napríklad betón naleje do formy. Na určenie jeho skutočnej sily, ktorá priamo závisí od hustoty materiálu, sa vykonávajú tieto operácie:
- Štruktúra je rozdrvená do práškového stavu. V tomto štádiu sú póry odstránené.
- Vysušte pri teplotách nad 100 stupňov a odstráňte všetku zvyšnú vlhkosť zo vzorky.
- Ochlaďte na teplotu miestnosti a preosejte cez jemné sito s veľkosťou ôk 0,20 x 0,20 mm, čím sa získa rovnomernosť prášku.
- Výsledná vzorka sa odváži na vysoko presnej elektronickej váhe. Objem sa vypočíta v objemovom metre ponorením do kvapalnej štruktúry a meraním vytlačenej kvapaliny (pyknometrická analýza).
Výpočet sa vykonáva podľa vzorca:
kde m je hmotnosť vzorky vg;
V je hodnota objemu v cm3.
Často sa používa meranie hustoty v kg/m 3 .
Priemerná hustota materiálu
Ak chcete zistiť, ako sa stavebné materiály správajú v skutočných prevádzkových podmienkach pod vplyvom vlhkosti, pozitívnych a negatívnych teplôt a mechanického zaťaženia, musíte použiť priemernú hustotu. Charakterizuje fyzikálny stav materiálov.
Ak je skutočná hustota konštantnou hodnotou a závisí len od chemického zloženia a štruktúry kryštálovej mriežky látky, potom je priemerná hustota určená pórovitosťou štruktúry. Predstavuje pomer hmotnosti materiálu v homogénnom stave k objemu obývaného priestoru v prirodzených podmienkach.
Priemerná hustota dáva inžinierovi predstavu o mechanickej pevnosti, miere absorpcie vlhkosti, koeficiente tepelnej vodivosti a ďalších dôležitých faktoroch použitých pri konštrukcii prvkov.
Pojem objemová hmotnosť
Zavedené na analýzu sypkých stavebných materiálov (piesok, štrk, expandovaná hlina atď.). Ukazovateľ je dôležitý pre výpočet nákladovo efektívneho použitia určitých zložiek stavebnej zmesi. Ukazuje pomer hmotnosti látky k objemu, ktorý zaberá v stave voľnej štruktúry.
Napríklad, ak je známy zrnitý tvar materiálu a priemerná hustota zŕn, potom je ľahké určiť parameter pórovitosti. Pri výrobe betónu je vhodnejšie použiť plnivo (štrk, drvený kameň, piesok), ktoré má menšiu pórovitosť sušiny, pretože na jeho vyplnenie sa použije základný cementový materiál, čo zvýši náklady.
Indikátory hustoty niektorých materiálov
Ak vezmeme vypočítané údaje z niektorých tabuliek, potom v nich:
- materiály obsahujúce oxidy vápnika, kremíka a hliníka sa pohybujú od 2400 do 3100 kg na m3.
- Dreviny na báze celulózy - 1550 kg na m3.
- Organické látky (uhlík, kyslík, vodík) - 800-1400 kg na m3.
- Kovy: oceľ - 7850, hliník - 2700, olovo - 11300 kg na m3.
Pri moderných technológiách výstavby budov je ukazovateľ hustoty materiálu dôležitý z hľadiska pevnosti nosných konštrukcií. Všetky funkcie tepelnej izolácie a izolácie proti vlhkosti vykonávajú materiály s nízkou hustotou so štruktúrou uzavretých buniek.
Všetko okolo nás pozostáva z rôznych látok. Lode a kúpele sú postavené z dreva, žehličky a postieľky sú vyrobené zo železa, pneumatiky na kolesách a gumy na ceruzkách sú vyrobené z gumy. A rôzne predmety majú rôznu hmotnosť – šťavnatý zrelý melón si z trhu ľahko odnesie každý z nás, no nad váhou rovnakej veľkosti sa budeme musieť zapotiť.
Každý si pamätá známy vtip: „Čo je ťažšie? Kilogram nechtov alebo kilogram páperia? Tomuto detskému triku už neprepadneme, vieme, že hmotnosť oboch bude rovnaká, no objem výrazne odlišný. Prečo sa to teda deje? Prečo majú rôzne telesá a látky rôznu hmotnosť pri rovnakej veľkosti? Alebo naopak, rovnaká hmotnosť s rôznymi veľkosťami? Je zrejmé, že existuje určitá charakteristika, vďaka ktorej sa látky navzájom tak líšia. Vo fyzike sa táto charakteristika nazýva hustota hmoty a vyučuje sa v siedmom ročníku.
Hustota látky: definícia a vzorec
Definícia hustoty látky je nasledovná: hustota ukazuje, aká je hmotnosť látky v jednotke objemu, napríklad v jednom kubickom metre. Hustota vody je teda 1000 kg/m3 a ľadu 900 kg/m3, preto je ľad ľahší a v zime je na vrchu nádrží. To znamená, čo nám v tomto prípade ukazuje hustota hmoty? Hustota ľadu 900 kg/m3 znamená, že kocka ľadu so stranami 1 meter váži 900 kg. A vzorec na určenie hustoty látky je nasledovný: hustota = hmotnosť/objem. Veličiny zahrnuté v tomto výraze sú označené nasledovne: hmotnosť - m, objem tela - V a hustota je označená písmenom ρ (grécke písmeno „rho“). A vzorec môže byť napísaný takto:
Ako zistiť hustotu látky
Ako nájsť alebo vypočítať hustotu látky? Aby ste to dosiahli, musíte poznať objem tela a telesnú hmotnosť. To znamená, že látku odmeriame, odvážime a získané údaje potom jednoducho dosadíme do vzorca a nájdeme hodnotu, ktorú potrebujeme. A ako sa meria hustota látky, je jasné zo vzorca. Meria sa v kilogramoch na meter kubický. Niekedy používajú aj hodnotu ako gramy na kubický centimeter. Prevod jednej hodnoty na inú je veľmi jednoduchý. 1 g = 0,001 kg a 1 cm3 = 0,000001 m3. V súlade s tým 1 g/(cm)^3 = 1000 kg/m^3. Malo by sa tiež pamätať na to, že hustota látky je v rôznych stavoch agregácie odlišná. Teda v pevnej, kvapalnej alebo plynnej forme. Hustota pevných látok je najčastejšie vyššia ako hustota kvapalín a oveľa vyššia ako hustota plynov. Snáď veľmi užitočnou výnimkou je pre nás voda, ktorá, ako sme už uvažovali, váži v pevnom skupenstve menej ako v kvapalnom. Práve vďaka tejto zvláštnej vlastnosti vody je možný život na Zemi. Život na našej planéte, ako vieme, pochádza z oceánov. A ak by sa voda správala ako všetky ostatné látky, potom by voda v moriach a oceánoch premrzla, ľad, ktorý je ťažší ako voda, by klesol na dno a ležal by tam bez roztopenia. A len na rovníku, v malom stĺpci vody, by existoval život v podobe niekoľkých druhov baktérií. Takže môžeme poďakovať vode za našu existenciu.
