Инструкция

Итак, всем давно не , что плотность вещества, будь то жидкость или твердое агрегатное , можно вычислить, как масса деленная на объем. То есть, для того, чтобы экспериментально определить плотность обыкновенной жидкой воды, нужно:1) Взять мерный цилиндр, взвесить его.
2) Налить в него воду, зафиксировать занимаемый ею объем.
3) Взвесить цилиндр с водой.
4) Высчитать разность масс, получив при этом массу воды.
5) Рассчитать плотность по известной формуле

Однако заметили, что значения плотности отличаются при разных температурах. Но самое удивительное то, по какому закону происходит изменение. До сих пор над этим феноменом ломают голову ученые всего мира. Ни кто не может разгадать тайну, и ответить на вопрос: "Почему значение плотности при нагревание от 0 до 3,98 , а после 3,98 ?" Пару лет назад японский физик Масакадзу Мацумото предположил модель строения молекул воды. Согласно этой теории, в воде образуются некие многоугольные микрообразования - витриты, которые в свою очередь, преобладают над явлением удлинения водородных связей и сжимают молекулы воды. Однако, эта теория до сих пор не подтверждена экспериментально. График зависимости плотности от температуры представлен ниже. Чтобы воспользоваться им нужно:1) Найти нужное вам значение температуры на соответствующей оси.
2) Опустить перпендикуляр на график. Отметить точку пересечения прямой и функции.
3) Из получившейся точки провести линию, параллельную оси температуры, на ось плотности. Точка пересечения и есть искомая величина.Пример: Пусть температура воды 4 градусам, тогда плотность, после построения, оказывается равной 1 г/см^3. Оба эти значения являются приближенными.

Для определения более точного значения плотности, нужно воспользоваться таблицей. Если там нет данных при нужном вам значение температуры, то: 1) Найдите значения, между которыми находится искомое. Для лучшего понимания, рассмотрим сразу на примере. Пусть нужна плотность воды при температуре 65 градусов. Она находится между 60 и 70.
2) Начертите координатную плоскость. Задайте ось абсциссы как температуру, ось ординат, как плотность. Отметить на графике известные вам точки (А и B). Соедините их прямой.
3) Опустите перпендикуляр из нужного вам значения температуры на отрезок полученный выше, отметьте ее как точка С.
4) Отметьте точки D, E, F, как показано на графике.
5) Теперь четко видно, что треугольники ADB и AFC являются подобными. Тогда справедливо соотношение:
AD/AF=DB/EF, следовательно:
(0,98318-0,97771)/(0,98318-х)=(70-60)/(65-60);
0,00547/(0,98318-х)=2
1,96636-2х=0,00547
х=0,980445
Соответственно плотность воды при 65 градусах равняется 0,980445 г/см^3
Данный метод нахождения значения, называется методом интерполяции.

Все вокруг нас состоит из разных веществ. Корабли и бани строят из дерева, утюги и раскладушки делают из железа, покрышки на колесах и стёрки на карандашах - из резины. И разные предметы имеют разный вес - любой из нас без проблем донесет с рынка сочную спелую дыню, а вот над гирей такого же размера уже придется попотеть.

Все помнят знаменитую шутку: «Что тяжелее? Килограмм гвоздей или килограмм пуха?». Мы-то уже не попадемся на эту детскую уловку, мы знаем, что вес и того и другого будет одинаковым, а вот объем будет существенно отличаться. Так почему это происходит? Почему разные тела и вещества имеют разный вес при одинаковом размере? Или наоборот, одинаковый вес при разном размере? Очевидно, что есть какая-то характеристика, вследствие которой вещества так отличаются друг от друга. В физике эта характеристика носит название плотности вещества и проходится в седьмом классе.

Плотность вещества: определение и формула

Определение плотности вещества следующее: плотность показывает, чему равна масса вещества в единице объема, например, в одном кубическом метре. Так, плотность воды 1000 кг/ м3 , а льда - 900 кг/м3, именно поэтому лед легче и находится сверху зимой на водоемах. То есть, что показывает нам плотность вещества в данном случае? Плотность льда равная 900 кг/м3, означает, что куб льда со сторонами 1 метр весит 900 кг. А формула для определения плотности вещества следующая: плотность= масса/объем. Обозначаются величины, входящие в это выражение, так: масса - m, объем тела -V, а плотность обозначается буквой ρ (греч.буква «ро»). И формула можно записать следующим образом:

Как найти плотность вещества

Как найти или рассчитать плотность какого-либо вещества? Для этого нужно знать объем тела и массу тела . То есть, мы измеряем вещество, взвешиваем, а потом полученные данные просто подставляем в формулу и находим нужное нам значение. А в чем измеряется плотность вещества понятно из формулы. Измеряется она в килограммах на метр кубический. Иногда используют еще такое значение, как грамм на сантиметр кубический. Пересчитать одну величину в другую очень просто. 1 г = 0,001 кг, а 1 см3 = 0,000001 м3. Соответственно 1 г/(см)^3 =1000кг/м^3 . Еще следует помнить, что плотность вещества различна в разных агрегатных состояниях. То есть в твердом, жидком или газообразном. Плотность твердых тел, чаще всего, выше плотности жидкостей и намного выше плотности газов. Пожалуй, очень полезное для нас исключение - это вода, которая, как мы уже рассматривали, в твердом состоянии весит меньше, чем в жидком. Именно вследствие этой странной особенности воды на Земле возможна жизнь. Жизнь на нашей планете, как известно, произошла из океанов. А если бы вода вела себя, как и все остальные вещества, то вода в морях и океанах промерзла бы насквозь, лед, будучи тяжелее воды, опустился бы на дно и лежал там, не тая. И только на экваторе в небольшой толще воды существовала бы жизнь в виде нескольких видов бактерий. Так что можно сказать спасибо воде за то, что мы существуем.

Во многих отраслях промышленного производства, а также в строительстве и сельском хозяйстве используется понятие "плотность материала". Это вычисляемая величина, которая является отношением массы вещества к занимаемому им объему. Зная такой параметр, например, у бетона, строители могут рассчитать необходимое количество его при заливке разных железобетонных конструкций: строительных блоков, перекрытий, монолитных стен, колонн, защитных саркофагов, бассейнов, шлюзов и других объектов.

Как определить плотность

Важно отметить, что, определяя плотность строительных материалов, можно использовать специальные справочные таблицы, где даны эти величины для различных веществ. Также разработаны методы и алгоритмы расчета, которые позволяют получать такие данные на практике, если отсутствует доступ к справочным материалам.

Плотность определяется у:

• жидких тел прибором ареометром (например, известный всем процесс измерения параметров электролита автомобильного аккумулятора);
• твердых и жидких веществ с помощью формулы при известных исходных данных массы и объема.

Все самостоятельные вычисления, конечно, будут иметь неточности, ведь сложно достоверно определить объем, если тело имеет неправильную форму.

Погрешности в измерениях плотности

• Погрешность систематическую. Она фигурирует постоянно или может изменяться по определенному закону в процессе нескольких измерений одного и того же параметра. Связана с погрешностью приборной шкалы, низким показателем чувствительности устройства или степенью точности формул расчета. Так, например, определяя массу тела при помощи разновесов и игнорируя воздействие выталкивающей силы, данные получают приблизительными.
• Погрешность случайную. Вызвана приходящими причинами и оказывает разное влияние на достоверность определяемых данных. Изменение температуры окружающей среды, атмосферного давления, вибрации в помещении, невидимые излучения и колебания воздуха - все это отражается на измерениях. Избежать такого влияния полностью невозможно.

• Погрешность в округлении величин. При получении промежуточных данных в расчете формул часто числа имеют множество значащих цифр после запятой. Необходимость ограничения количества этих знаков и предполагает появление погрешности. Частично снизить такую неточность можно, оставляя в промежуточных расчетах на несколько порядков цифр больше, чем требует конечный результат.
• Погрешности небрежности (промахи) возникают вследствие ошибочности вычислений, неправильности включения пределов измерения либо прибора в целом, неразборчивости контрольных записей. Полученные таким образом данные могут резко отличаться от аналогично проведенных расчетов. Поэтому их следует удалять, а работу выполнить заново.

Измерение истинной плотности

Рассматривая плотность материала строительства, нужно учитывать его истинный показатель. То есть когда структура вещества единицы объема не содержит в себе раковин, пустот и посторонних включений. На практике нет абсолютной однородности, когда, например, бетон заливают в форму. Чтобы определить реальную его прочность, которая напрямую зависит от плотности материала, проводят следующие операции:

• Структуру подвергают измельчению до состояния порошка. На этом этапе избавляются от пор.
• Просушивают в при температуре свыше 100 градусов, из пробы удаляют остатки влаги.
• Остужают до комнатной температуры и пропускают через мелкое сито с размером ячейки в 0,20 х 0,20 мм, придавая однородность порошку.
• Полученный образец взвешивают на электронных весах высокой точности. Объем вычисляют в объемомере методом погружения в жидкую структуру и измерения вытесненной жидкости (пикнометрический анализ).

Расчет проводят по формуле:

где m - масса образца в г;

V - величина объема в см 3 .

Часто применимо измерение плотности в кг/м 3 .

Средняя плотность материала

Чтобы определить, как ведут себя строительные материалы в реальных условиях эксплуатации под воздействием влаги, положительных и отрицательных температур, механических нагрузок, нужно использовать средний показатель плотности. Он характеризует физическое состояние материалов.

Если истинная плотность - неизменная величина и зависит лишь от химического состава и структуры кристаллической решетки вещества, то средняя плотность определяется пористостью структуры. Она представляет собой отношение массы материала в однородном состоянии к объему занимаемого пространства в естественных условиях.

Средняя плотность дает представление инженеру о механической прочности, степени влагопоглощения, коэффициенте теплопроводности и других важных факторах, используемых в строительстве элементов.

Понятие насыпной плотности

Вводят для анализа сыпучих строительных материалов (песка, гравия, керамзита и др.). Показатель важен для расчета экономически выгодного применения тех или иных компонентов строительной смеси. Он показывает отношение массы вещества к объему, который оно занимает в состоянии рыхлой структуры.

Например, если известна материала зернистой формы и средняя плотность зерен, то легко определить параметр пустотности. При изготовлении бетона целесообразнее применять наполнитель (гравий, щебень, песок), обладающий меньшей пористостью сухого вещества, так как на его заполнение пойдет базовый цементный материал, что увеличит себестоимость.

Показатели плотности некоторых материалов

Если взять расчетные данные некоторых таблиц, то в них:

• материалов, в составе которых присутствуют оксиды кальция, кремния и алюминия, варьируется от 2400 до 3100 кг на м 3.
• Древесных пород с основой из целлюлозы - 1550 кг на м 3 .
• Органики (углерод, кислород, водород) - 800-1400 кг на м 3 .
• Металлов: сталь - 7850, алюминий - 2700, свинец - 11300 кг на м 3 .

При современных технологиях строительства зданий показатель плотности материала важен с точки зрения прочности несущих конструкций. Все теплоизоляционные и влагоизоляционные функции выполняют материалы низкой плотности со структурой закрытых пор.

Определение

Плотностью вещества (плотностью вещества тела) называют скалярную физическую величину, которая равна отношению массы (dm) малого элемента тела к его единичному объему (dV). Чаще всего плотность вещества обозначают греческой буквой . И так:

Виды плотности вещества

Применяя выражение (1) для определения плотности, говорят о плотности тела в точке.

Плотность тела зависит от материала тела и его термодинамического состояния.

где m – масса тела, V – объем тела.

Если тело является неоднородным, то иногда пользуются понятием средней плотности , которая рассчитывается как:

где m – масса тела, V – объем тела. В технике для неоднородных (например, сыпучих) тел используют понятие объемной плотности. Объемную плотность рассчитывают так же как (3). Объем определяют, включая промежутки в сыпучих и рыхлых материалах (таких как: песок, гравий, зерно и т.д.).

При рассмотрении газов, находящихся в нормальных условиях для вычисления плотности применяют формулу:

где – молярная масса газа, – молярный объем газа, который при нормальных условиях составляет 22,4 л/моль.

Единицы измерения плотности вещества

В соответствии с определением, можно записать, что единицами измерения плотности в системе СИ служит: =кг/м 3

в СГС: =г/(см) 3

При этом: 1 кг/м 3 = (10) -3 г/(см) 3 .

Примеры решения задач

Пример

Задание. Какова плотность воды, если объем, который занимает одна молекула H 2 O, примерно равен м 3 ? Считайте, что молекулы в воде плотно упакованы.

где m 0 – масса молекулы воды. Найдем m 0 , используя известное соотношение:

где N=1 - количество молекул (в нашем случае одна молекула), m - масса рассматриваемого количества молекул (в нашем случае m=m 0), N А =6,02 10 23 моль -1 – постоянная Авогадро, =18 10 -3 кг/моль (так как относительная молекулярная масса воды равна M r =18). Следовательно, применяя выражение (2) для нахождения массы одной молекулы имеем:

Подставим m 0 в выражение (1), получаем:

Проведем расчет искомой величины:

кг/м 3

Ответ. Плотность воды равна 10 3 кг/м 3 .

Пример

Задание. Какова плотность кристаллов хлорида цезия (CsCl), если кристаллы имеют кубическую кристаллическую решетку (рис.1) в вершинах которой находятся ионы хлора (Cl -), а в центре расположен ион цезия (Cs +). Ребро кристаллической решетки считайте равным d=0, 41 нм.

Решение. За основу решения задачи примем выражение:

где m – масса вещества (в нашем случае это масса одной молекулы – постоянная Авогадро, кг/моль молярная масса хлорида Цезия (так как относительная молекулярная хлорида цезия равна ). Выражение (2.1) для одной молекулы примет вид.

КРИСТАЛЛОФИЗИКА

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ

Плотность

Плотность - физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма. Для неоднородного вещества плотность в определённой точке вычисляется как предел отношения массы тела (m) к его объёму (V), когда объём стягивается к этой точке. Средняя плотность неоднородного вещества есть отношение m/V.

Плотность вещества зависит от массы атомов , из которых оно состоит, и от плотности упаковки атомов и молекул в веществе. Чем больше масса атомов, тем больше плотность.

Но, если рассматривать одно и то же вещество в разных агрегатных состояниях, то мы увидим, что плотность его будет разной!

Твёрдое тело - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равновесия. Кристаллы характеризуются пространственною периодичностью в расположении равновесных положений атомов. В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек. Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется.

Атомы прочно связаны друг с другом и очень плотно упакованы. Поэтому вещество,находящееся в твердом состоянии имеет наибольшую плотность.

Жидкое состояние - одно из агрегатных состояний вещества. Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом : газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое.

Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела).

Плотность упаковки атомов и молекул по прежнему высока, поэтому плотность вещества находящегося в жидком состоянии не очень сильно отличается от твердого состояния.

Газ - агрегатное состояние вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами, (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью. Частицы газа почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения.

Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром.

Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда).

Газообразное состояние - самое распространённое состояние вещества Вселенной (межзвёздное вещество, туманности, звёзды, атмосферы планет и т.д.). По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны - от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей. К газам иногда относят не только системы из атомов и молекул, но и системы из других частиц - фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму.

Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в тоже время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии.

Молекулы имеют очень слабую связь друг с другом и удаляются друг от друга на большое расстояние. Плотность упаковки очень низкая, соответственно, вещество в газообразном состоянии

обладает небольшой плотностью.

2. Виды плотности и единицы измерения

Плотность измеряется в кг/м³ в системе СИ и в г/см³ в системе СГС, остальные (г/мл, кг/л, 1 т/M3 ) – производные.

Для сыпучих и пористых тел различают:

Истинную плотность, определяемую без учёта пустот

Кажущуюся плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму

3. Формула нахождения плотности

Плотность находится по формуле:

Поэтому числовое значение плотности вещества показывает массу единицы объема этого вещества. Например, плотность чугуна 7 кг/дм3. Это значит, что 1 дм3 чугуна имеет массу 7 кг. Плотность пресной воды – 1 кг/л. Следовательно, масса 1 л воды равна 1 кг.

Для вычисления плотности газов можно пользоваться формулой:

где М - молярная масса газа, Vm - молярный объём (при нормальных условиях равен 22,4 л/моль).

4. Зависимость плотности от температуры

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность ведет себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Правда, вода является исключением из этого правила, её плотность при затвердевании уменьшается.

Для различных природных объектов плотность меняется в очень широком диапазоне. Самую низкую плотность имеет межгалактическая среда (ρ ~ 10-33 кг/м³). Плотность межзвёздной среды порядка 10-21 кг/M3. Средняя плотность Солнца примерно в 1,5 раза выше плотности воды, равной 1000 кг/M3, а средняя плотность Земли равна 5520 кг/M3. Наибольшую плотность среди металлов имеет осмий (22 500 кг/M3), а плотность нейтронных звёзд имеет порядок 1017÷1018 кг/M3.

5. Плотности некоторых газов

- Плотность газов и паров (0° С, 101325 Па), кг/м³

Кислород 1,429

Аммиак 0,771

Криптон 3,743

Аргон 1,784

Ксенон 5,851

Водород 0,090

Метан 0,717

Водяной пар (100° С) 0,598

Воздух 1,293

Углекислый газ 1,977

Гелий 0,178

Этилен 1,260

- Плотность некоторых пород древесины

Плотность древесины,г/см³

Бальса 0.15

Пихта сибирская 0.39

Секвойя вечнозелёная 0.41

Конский каштан 0.56

Каштан съедобный 0.59

Кипарис 0,60

Черёмуха 0.61

Лещина 0.63

Грецкий орех 0.64

Берёза 0.65

Вяз гладкий 0.66

Лиственница 0.66

Клён полевой 0.67

Тиковое дерево 0.67

Свитения (Махагони) 0.70

Платан 0.70

Жостер (крушина) 0.71

Сирень 0.80

Боярышник 0.80

Пекан (кария) 0.83

Сандаловое дерево 0.90

Самшит 0.96

Хурма эбеновая 1.08

Квебрахо 1.21

Гвеякум, или бакаут 1.28

- Плотность металлов (при 20°C) т/M3

Алюминий 2.6889

Вольфрам 19.35

Графит 1.9 - 2.3

Железо 7.874

Золото 19.32

Калий 0.862

Кальций 1.55

Кобальт 8.90

Литий 0.534

Магний 1.738

Медь 8.96

Натрий 0.971

Никель 8.91

Олово (белое) 7.29

Платина 21.45

Плутоний 19.25

Свинец 11.336

Серебро 10.50

Титан 4.505

Цезий 1.873

Цирконий 6.45

- Плотность сплавов (при 20°C)) т/M3

Бронза 7.5 - 9.1

Сплав Вуда 9.7

Дюралюминий 2.6 - 2.9

Константан 8.88

Латунь 8.2 - 8.8

Нихром 8.4

Платино-иридиевый 21.62

Сталь 7.7 - 7.9

Сталь нержавеющая (в среднем) 7.9 - 8.2

марки 08Х18Н10Т, 10Х18Н10Т 7,9

марки 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т 8

марки 06ХН28МТ, 06ХН28МДТ 7,95

марки 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т 7,6

Чугун белый 7.6 - 7.8

Чугун серый 7.0 - 7.2

← Вернуться