Щільністю прийнято називати таку фізичну величину, яка визначає відношення маси предмета, речовини або рідини до об'єму, що займає ними, в просторі. Поговоримо про те, що таке щільність, чим відрізняється щільність тіла та речовини і як (за допомогою якої формули) визначити щільність у фізиці.
Види щільності
Слід уточнити, що щільність може бути поділена на кілька видів.
Залежно від об'єкта, що досліджується:
- Щільність тіла – для однорідних тіл – це пряме відношення маси тіла до його об'єму, який займає у просторі.
- Щільність речовини - це густина тіл, що складаються з цієї речовини. Щільність речовин стала. Існують спеціальні таблиці, де позначено щільність різних речовин. Наприклад, густина алюмінію дорівнює 2,7 * 103 кг/м 3 . Знаючи густину алюмінію та масу тіла, яке з нього зроблено, ми можемо обчислити об'єм цього тіла. Або, знаючи, що тіло складається з алюмінію і знаючи обсяг цього тіла, ми можемо з легкістю обчислити його масу. Як знайти ці величини, ми розглянемо трохи пізніше, коли виведемо формулу для обчислення густини.
- Якщо тіло складається з декількох речовин, то для визначення його густини необхідно обчислити густину його деталей для кожної речовини окремо. Така щільність називається середньою густиною тіла.
Залежно від пористості речовини, з якої складається тіло:
- Справжня щільність - це щільність, яка обчислюється без урахування порожнеч у тілі.
- Питома щільність - або щільність, що здається - це та, яка обчислена з урахуванням порожнеч тіла, що складається з пористої або розсипчастої речовини.
Отже, як знайти густину?
Формула для обчислення густини
Формула, що допомагає знайти щільність тіла, виглядає так:
- p = m/V, де p – щільність речовини, m – маса тіла, V – об'єм тіла у просторі.
Якщо ми обчислюємо щільність того чи іншого газу, то формула виглядатиме так:
- p = M / V m p - густина газу, M - молярна маса газу, V m - молярний об'єм, який за нормальних умов дорівнює 22,4 л/моль.
Приклад: маса речовини 15 кг, вона займає 5 літрів. Яка густина речовини?
Рішення: підставляємо значення формулу
- р = 15/5 = 3 (кг/л)
Відповідь: густина речовини 3 кг/л
Одиниці виміру щільності
Крім знань про те, як знайти щільність тіла та речовини, необхідно знати й одиниці виміру щільності.
- Для твердих тіл - кг/м 3 г/см 3
- Для рідин – 1 гр/л або 10 3 кг/м 3
- Для газів – 1 гр/л або 10 3 кг/м 3
Докладніше про одиниці виміру щільності можна прочитати в нашій статті.
Як знайти щільність у домашніх умовах
Для того, щоб знайти щільність тіла або речовини в домашніх умовах, вам знадобляться:
- Терези;
- сантиметр, якщо тіло тверде;
- Посудина, якщо ви хочете виміряти щільність рідини.
Щоб знайти густину тіла в домашніх умовах, потрібно виміряти його об'єм за допомогою сантиметра або судини, а потім поставити тіло на ваги. Якщо ви вимірюєте щільність рідини, то не забудьте відняти перед розрахунками масу судини, в яку ви налили рідину. Щільність газів в домашніх умовах обчислити набагато складніше, ми рекомендуємо скористатися готовими таблицями, в яких вже позначені густини різних газів.
ВИЗНАЧЕННЯ
густина- це скалярна фізична величина, яка визначається як відношення маси тіла до займаного ним обсягу.
Дану величину зазвичай позначають грецькою літерою r або латинськими D і d. Одиницею вимірювання щільності у системі СІ прийнято вважати кг/м 3 , а СГС - г/см 3 .
Щільність можна обчислити за такою формулою:
Відношення маси даного газу до маси іншого газу, взятого в тому ж обсязі, при тій же температурі і тому ж тиску, називається відносною щільністю першого газу по другому.
Наприклад, за нормальних умов маса діоксиду вуглецю в об'ємі 1 л дорівнює 1,98 г, а маса водню в тому ж обсязі і за тих же умов - 0,09 г, звідки щільність діоксиду вуглецю водню складе: 1,98 / 0, 09 = 22.
Як розрахувати щільність речовини
Позначимо відносну густину газу m 1 / m 2 літерою D. Тоді
Отже, молярна маса газу дорівнює його щільності по відношенню до іншого газу, помноженої на молярну масу другого газу.
Часто щільності різних газів визначають по відношенню до водню, як найлегшому з усіх газів. Оскільки молярна маса водню дорівнює 2,0158 г/моль, то в цьому випадку рівняння для розрахунку молярних мас набуває вигляду:
або, якщо округлити молярну масу водню до 2:
Обчислюючи, наприклад, за цим рівнянням молярну масу діоксиду вуглецю, щільність якого водню, як зазначено вище дорівнює 22, знаходимо:
M(CO 2 ) = 2 × 22 = 44 г/моль.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | Обчисліть об'єм води та масу кухонної солі NaCl, які потрібні для приготування 250 мл 0,7 М розчину. Щільність розчину прийняти 1 г/см. Яка масова частка хлориду натрію у такому розчині? |
| Рішення | Молярна концентрація розчину дорівнює 0,7 М свідчить про те, що 1000 мл розчину міститься 0,7 моль солі. Тоді, можна дізнатися, кількість речовини солі в 250 мл цього розчину: n(NaCl) = V solution (NaCl) × C M (NaCl); n(NaCl) = 250 × 0,7/1000 = 0,175 моль. Знайдемо масу 0,175 моль хлориду натрію: M(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = 23 + 35,5 = 58,5 г/моль. m(NaCl) = n(NaCl) × M(NaCl); m(NaCl) = 0,175 × 58,5 = 10,2375 р. Обчислимо масу води, необхідну для отримання 250 мл 0,7 М розчину кухонної солі: r = m solution/V; m solution = V × r = 250 × 1 = 250 р. m(H 2 O) = 250 - 10,2375 = 239,7625 р. |
| Відповідь | Маса води дорівнює 239,7625 г, об'єм - цьому ж значенню, оскільки щільність води дорівнює 1 г/см. |
ПРИКЛАД 2
| Завдання | Обчисліть об'єм води та масу нітрату калію KNO 3 , які будуть потрібні для приготування 150 мл 0,5 М розчину. Щільність розчину прийняти 1 г/см. Яка масова частка нітрату калію у такому розчині? |
| Рішення | Молярна концентрація розчину дорівнює 0,5 М свідчить про те, що 1000 мл розчину міститься 0,7 моль солі. Тоді, можна дізнатися, кількість речовини солі в 150 мл цього розчину: n(KNO 3) = V solution (KNO 3) × C M (KNO 3); n(KNO 3) = 150 × 0,5/1000 = 0,075 моль. Знайдемо масу 0,075 моль нітрату калію: M(KNO 3) = Ar(K) + Ar(N) + 3×Ar(O) = 39 + 14 + 3×16 = 53 + 48 = 154 г/моль. m(KNO 3) = n(KNO 3) × M(KNO 3); m(KNO 3) = 0,075×154 = 11,55 р. Обчислимо масу води, необхідну для одержання 150 мл 0,5 М розчину нітрату калію: r = m solution/V; m solution = V × r = 150 × 1 = 150 р. m(H 2 O) = m solution - m(NaCl); m(H 2 O) = 150 - 11,55 = 138,45 р. |
| Відповідь | Маса води дорівнює 138,45 г, об'єм - цьому ж значенню, оскільки щільність води дорівнює 1 г/см. |
Серед інших речовин на планеті Земля найнижчу щільність мають гази. Рідини, як правило, характеризуються вищою в порівнянні з ними щільністю, а максимальне значення цього показника можна зустріти у твердих речовин. Так, наприклад, найбільш щільним металом прийнято вважати осмій.
Вимірювання щільності
Для вимірювання щільності, а також інших предметних областей, це поняття, прийнята спеціальна комплексна одиниця виміру, заснована на взаємозв'язку щільності з масою та обсягом речовини. Так, у міжнародній системі одиниць виміру СІ одиницею, яка використовується для опису щільності речовини, є кілограм на один кубічний метр, яку прийнято позначати як кг/м³.Разом з тим, у випадку, якщо йдеться про дуже малі обсяги речовини, щодо якої необхідно виміряти щільність, застосовується використання похідної від цієї загальноприйнятої одиниці, що виражається як кількість грамів на кубічний сантиметр. У скороченому вигляді цю одиницю прийнято позначати г/см3.
У цьому щільність різних речовин має тенденцію до зміни залежно від температури: найчастіше її зниження тягне у себе збільшення щільності речовини. Так, наприклад, звичайне повітря при температурі +20оС має щільність, рівну 1,20 кг/м³, тоді як при зниженні температури до 0оС його щільність збільшиться до 1,29 кг/м³, а при подальшому її зниженні до -50оС щільність повітря досягне 1,58 кг/м³. Разом про те, деякі речовини є виняток із цього правила, оскільки зміна їх щільності не підпорядковується зазначеної закономірності: до них належить, наприклад, вода.
Для вимірювання густини речовин застосовуються різні фізичні прилади. Так, наприклад, виміряти густину рідини можна за допомогою ареометра, а для того щоб визначити густину твердої або газоподібної речовини, можна скористатися пікнометром.
У багатьох галузях промислового виробництва, а також у будівництві та сільському господарстві використовується поняття "щільність матеріалу". Це обчислювана величина, яка є ставленням маси речовини до об'єму, який він займає. Знаючи такий параметр, наприклад, у бетону, будівельники можуть розрахувати необхідну кількість його при заливанні різних залізобетонних конструкцій: будівельних блоків, перекриттів, монолітних стін, колон, захисних саркофагів, басейнів, шлюзів та інших об'єктів.
Як визначити щільність
Важливо відзначити, що, визначаючи щільність будівельних матеріалів, можна використовувати спеціальні довідкові таблиці, де ці величини для різних речовин. Також розроблено методи та алгоритми розрахунку, які дозволяють отримувати такі дані на практиці, якщо відсутній доступ до довідкових матеріалів.
Щільність визначається у:
- рідких тіл приладом ареометром (наприклад, відомий усім процес вимірювання параметрів електроліту автомобільного акумулятора);
- твердих і рідких речовин за допомогою формули при відомих вихідних даних маси та обсягу.
Усі самостійні обчислення, звісно, матимуть неточності, адже складно достовірно визначити обсяг, якщо тіло має неправильну форму.
Похибки у вимірах щільності
- Похибка систематична. Вона фігурує постійно чи може змінюватися за певним законом у процесі кількох вимірів однієї й тієї ж параметра. Пов'язана з похибкою шкали приладів, низьким показником чутливості пристрою або ступенем точності формул розрахунку. Так, наприклад, визначаючи масу тіла за допомогою різновагів і ігноруючи вплив сили, що виштовхує, дані отримують приблизними.
- Похибка випадкова. Викликана причинами, що приходять і надає різний вплив на достовірність визначених даних. Зміна температури навколишнього середовища, атмосферного тиску, вібрації в приміщенні, невидимі випромінювання та коливання повітря - все це відбивається на вимірах. Уникнути такого впливу неможливо.
- Похибка округлення величин. При отриманні проміжних даних для формул часто числа мають безліч значущих цифр після коми. Необхідність обмеження кількості цих знаків передбачає появу похибки. Частково знизити таку неточність можна, залишаючи у проміжних розрахунках кілька порядків цифр більше, ніж вимагає кінцевий результат.
- Похибки недбалості (промахи) з'являються внаслідок помилковості обчислень, неправильності включення меж вимірювання чи приладу загалом, нерозбірливості контрольних записів. Отримані таким чином дані можуть відрізнятися від аналогічно проведених розрахунків. Тому їх треба видаляти, а роботу виконати заново.
Вимірювання істинної щільності
Розглядаючи густину матеріалу будівництва, потрібно враховувати його справжній показник. Тобто коли структура речовини одиниці об'єму не містить раковин, порожнин і сторонніх включень. Насправді немає абсолютної однорідності, коли, наприклад, бетон заливають у форму. Щоб визначити реальну його міцність, яка залежить від щільності матеріалу, проводять наступні операції:
- Структуру подрібнюють до стану порошку. На цьому етапі позбавляються пір.
- Просушують при температурі понад 100 градусів, з проби видаляють залишки вологи.
- Охолоджують до кімнатної температури і пропускають через дрібне сито з розміром комірки 0,20 х 0,20 мм, надаючи однорідність порошку.
- Отриманий зразок зважують на електронних терезах високої точності. Обсяг обчислюють в об'ємомер методом занурення в рідку структуру і вимірювання витісненої рідини (пікнометричний аналіз).
Розрахунок проводять за формулою:
де m - маса зразка в г;
V - величина обсягу см 3 .
Часто застосовується вимірювання щільності кг/м 3 .
Середня щільність матеріалу
Щоб визначити, як поводяться будівельні матеріали в реальних умовах експлуатації під впливом вологи, позитивних та негативних температур, механічних навантажень, потрібно використовувати середній показник густини. Він характеризує фізичний стан матеріалів.
Якщо справжня густина - постійна величина і залежить лише від хімічного складу та структури кристалічної решітки речовини, то середня густина визначається пористістю структури. Вона є відношенням маси матеріалу в однорідному стані до обсягу займаного простору в природних умовах.
Середня щільність дає уявлення інженеру про механічну міцність, ступінь вологопоглинання, коефіцієнт теплопровідності та інші важливі фактори, що використовуються в будівництві елементів.
Поняття насипної густини
Вводять для аналізу сипких будівельних матеріалів (піску, гравію, керамзиту та ін.). Показник важливий до розрахунку економічно вигідного застосування тих чи інших компонентів будівельної суміші. Він показує відношення маси речовини до об'єму, який займає у стані пухкої структури.
Наприклад, якщо відома матеріалу зернистої форми та середня щільність зерен, то легко визначити параметр порожнечі. При виготовленні бетону доцільніше застосовувати наповнювач (жвір, щебінь, пісок), що має меншу пористість сухої речовини, так як на його заповнення піде базовий цементний матеріал, що збільшить собівартість.
Показники густини деяких матеріалів
Якщо взяти розрахункові дані деяких таблиць, то вони:
- матеріалів, у складі яких присутні оксиди кальцію, кремнію та алюмінію, варіюється від 2400 до 3100 кг на м3.
- Деревних порід з основою з целюлози – 1550 кг на м 3 .
- Органіки (вуглець, кисень, водень) – 800-1400 кг на м 3 .
- Металів: сталь – 7850, алюміній – 2700, свинець – 11300 кг на м 3 .
За сучасних технологій будівництва будівель показник щільності матеріалу важливий з точки зору міцності несучих конструкцій. Всі теплоізоляційні та вологоізоляційні функції виконують матеріали низької щільності зі структурою закритих пір.
Все довкола нас складається з різних речовин. Кораблі та лазні будують із дерева, праски та розкладачки роблять із заліза, покришки на колесах та стерки на олівцях – з гуми. І різні предмети мають різну вагу - будь-який з нас без проблем донесе з ринку соковиту стиглу диню, а ось над гирею такого ж розміру вже доведеться попітніти.
Усі пам'ятають знаменитий жарт: «Що важче? Кілограм цвяхів чи кілограм пуху?». Ми вже не потрапимо на цей дитячий прийом, ми знаємо, що вага і того й іншого буде однаковим, а ось обсяг істотно відрізнятиметься. То чому це відбувається? Чому різні тіла та речовини мають різну вагу за однакового розміру? Або навпаки, однакова вага при різному розмірі? Очевидно, що є якась характеристика, внаслідок якої речовини так відрізняються одна від одної. У фізиці ця характеристика зветься щільності речовини і проходить у сьомому класі.
Щільність речовини: визначення та формула
Визначення густини речовини таке: густина показує, чому дорівнює маса речовини в одиниці об'єму, наприклад, в одному кубічному метрі. Так, щільність води 1000 кг/м3, а льоду – 900 кг/м3, саме тому крига легша і знаходиться зверху взимку на водоймах. Тобто, що показує нам густину речовини в даному випадку? Щільність льоду дорівнює 900 кг/м3 означає, що куб льоду зі сторонами 1 метр важить 900 кг. А формула визначення щільності речовини така: щільність= маса/обсяг. Позначаються величини, що входять до цього виразу, так: маса - m, об'єм тіла -V, а щільність позначається буквою ρ (грецьк.буква «ро»). І формула можна записати так:
Як знайти щільність речовини
Як знайти або розрахувати щільність будь-якої речовини? Для цього потрібно знати об'єм тіла та масу тіла. Тобто, вимірюємо речовину, зважуємо, а потім отримані дані просто підставляємо у формулу і знаходимо потрібне нам значення. А в чому вимірюється густина речовини зрозуміло з формули. Вимірюється вона у кілограмах на метр кубічний. Іноді використовують ще таке значення, як кубічний грам на сантиметр. Перерахувати одну величину на іншу дуже просто. 1 г = 0,001 кг, а 1 см3 = 0,000001 м3. Відповідно 1 г/(см)^3 =1000кг/м^3. Ще слід пам'ятати, що густина речовини різна в різних агрегатних станах. Тобто у твердому, рідкому чи газоподібному. Щільність твердих тіл, найчастіше, вища за щільність рідин і набагато вища за щільність газів. Мабуть, дуже корисний для нас виняток – це вода, яка, як ми вже розглядали, у твердому стані важить менше, ніж у рідкому. Саме внаслідок цієї дивної особливості води на Землі можливе життя. Життя на нашій планеті, як відомо, походить з океанів. А якби вода поводилася, як і всі інші речовини, то вода в морях і океанах промерзла б наскрізь, лід, бувши важчим за воду, опустився б на дно і лежав там, не танучи. І тільки на екваторі в невеликій товщі води існувало б життя у вигляді кількох видів бактерій. Так що можна сказати спасибі воді за те, що ми існуємо.
