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.
Как получается, что тела, которые занимают одинаковый объём в пространстве, могут при этом иметь различную массу? Всё дело в их плотности. С этим понятием мы знакомимся уже в 7 классе, в первый год преподавания физики в школе. Оно является основным физическим понятием, способным открыть для человека МКТ (молекулярно-кинетическую теорию) не только в курсе физики, но и в химии. С помощью него человек может характеризовать любое вещество, будь то вода, дерево, свинец или воздух.
Виды плотности
Итак, это скалярная величина, которая равна отношению массы исследуемого вещества к его объёму, то есть, ещё может быть названа удельной массой
. Обозначается греческой буквой «ρ» (читается как «ро»), не путать с «p» - этой буквой принято обозначать давление.
Как найти плотность в физике? Используйте формулу плотности: ρ = m/V
Эта величина может измеряться и в г/л, г/м3 и вообще в любых единицах, связанных с массой и объёмом. Какова единица плотности в СИ? ρ = [кг/м3]. Перевод между этими единицами осуществляется через элементарные математические операции. Однако большее применение имеет именно единица измерения по СИ.
Помимо стандартной формулы, используемой лишь для твёрдых веществ, существует и формула для газа в нормальных условиях (н.у.) .
ρ (газа) = M/Vm
M - молярная масса газа [г/моль], Vm - молярный объём газа (при нормальных условиях эта величина равна 22,4 л/моль).
Чтобы более полно определить данное понятие, стоит уточнить, какая именно величина имеется в виду .
- Плотность однородных тел - это именно отношение массы тела к его объёму.
- Также есть понятие «плотность вещества», то есть плотность однородного или равномерно распределённого неоднородного тела, состоящего из этого вещества. Это величина постоянна. Существуют таблицы (которыми вы наверняка пользовали на уроках физики), в которых собраны значения для различных твёрдых, жидких и газообразных веществ. Так, этот показатель для воды равняется 1000 кг/м3. Зная эту величину и, например, объём ванны мы можем определить массу воды, которая в неё поместится, подставив в вышеизложенную форму известные значения.
- Однако не все вещества являются однородными. Для таких создан термин «средняя плотность тела». Чтобы вывести это значение, необходимо узнать ρ каждого компонента данного вещества в отдельности и высчитать среднюю величину.
Пористые и сыпучие тела, помимо прочего, имеют:
- Истинную плотность, которая определяется без учёта пустот в структуре.
- Удельную (кажущуюся) плотность, которую можно рассчитать путём деления массы вещества на весь занимаемый им объём.
Эти две величины связаны между собой коэффициентом пористости - отношения объёма пустот (пор) к общему объёму исследуемого тела.
Плотность веществ может зависеть от ряда факторов, причём некоторые из них одновременно могут повышать эту величину для одних веществ и понижать - для других. Например, при низкой температуре обычно происходит увеличение данной величины, однако, существует ряд веществ, чья плотность в определённом температурном диапазоне ведёт себя аномально. К этим веществам относят чугун, воду и бронзу (сплав меди с оловом).
Например, ρ воды имеет самый большой показатель при температуре 4 °C, а затем относительно этого значения может изменяться как при нагреве, так и при охлаждении.
Также стоит сказать о том, что при переходе вещества из одной среды в другую (твёрдое-жидкое-газообразное), то есть при смене агрегатного состояния ρ тоже меняет своё значение и делает это скачками: нарастает при переходе из газа в жидкость и при кристаллизации жидкости. Однако и здесь существует ряд исключений. К примеру, висмут и кремний имеют маленькое значение при затвердевании. Интересный факт: вода при кристаллизации, то есть при превращении в лёд, также уменьшает свои показатели, и именно поэтому лёд не тонет в воде.
Как легко посчитать плотность различных тел
Нам понадобится следующее оборудование :
- Весы.
- Сантиметр (мерка), если исследуемое тело находится в твёрдом агрегатном состоянии.
- Мерная колба, если исследуемое вещество - жидкость.
Для начала мы измеряем объём исследуемого тела с помощью сантиметра или мерной колбы. В случае с жидкостью мы просто смотрим на имеющуюся шкалу и записываем результат. Для деревянного бруса кубической формы она, соответственно, будет равняться значению стороны, возведённому в третью степень. Измерив объём, ставим исследуемое тело на весы и записываем значение массы. Важно! Если вы исследуете жидкость, не забудьте учесть массу сосуда, в который налито исследуемое тело. Подставляем экспериментально полученные значения в формулу, описанную выше, и рассчитываем нужный показатель.
Нужно сказать, что данный показатель для различных газов без специальных приборов вычислить гораздо труднее, поэтому, если вам понадобятся их значения, лучше воспользуйтесь готовыми значениями из таблицы плотности веществ.
Также для измерения данной величины используются специальные приборы:
- Пикнометр показывает истинную плотность.
- Ареометр предназначен для измерения данного показателя у жидкостей.
- Бурик Качинского и бур Зайдельмана - устройства, с помощью которых исследуют почвы.
- Вибрационный плотномер применяют для измерения данной величины жидкости и различных газов, находящихся под давлением.
Рисунок 1. Таблица плотностей некоторых веществ. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Все тела в окружающем нас мире имеют различные размеры и объемы. Но даже при одинаковых объемных данных масса веществ будет существенно отличаться. В физике такое явление называют плотностью вещества.
Плотность – это основное физическое понятие, дающее представление о характеристиках любого известного вещества.
Определение 1
Плотность вещества – физическая величина, которая показывает массу определенного вещества в единице объема.
Единицами объема в пересчете плотности вещества обычно являются кубический метр или кубический сантиметр. Определение плотности вещества осуществляется специальным оборудованием и приборами.
Для определения плотности вещества необходимо массу его тела поделить на собственный объем. При расчете плотности вещества используют следующие величины:
массу тела ($m$); объем тела ($V$); плотность тела ($ρ$)
Замечание 1
$ρ$ - это буква греческого алфавита "ро" и ее нельзя путать с похожим обозначением давления – $p$ («пэ»).
Формула плотности вещества
Расчет плотности вещества происходит с использования системы измерений СИ. В ней единицы плотности выражаются в килограммах на кубический метр или граммах на кубический сантиметр. Также можно использовать любую систему измерения.
У вещества бывают разные степени плотности, если оно находится в различных агрегатных состояниях. Иными словами, плотность вещества, находящегося в твердом состоянии, будет иным, чем плотность этого же вещества в жидком или газообразном состоянии. Например, для воды характерна плотность в обычном жидком состоянии 1000 килограммов на кубический метр. В замороженном состоянии вода (лед) будет иметь плотность уже 900 килограммов на кубический метр. Водяной пар при нормальном атмосферном давлении и температуре близкой к нулю градусов будет иметь плотность 590 килограммов на кубический метр.
Стандартная формула плотности вещества выглядит следующим образом:
Помимо стандартной формулы, которая используется только для твёрдых веществ, существует формула для газа в нормальных условиях:
$ρ = M / Vm$, где:
- $M$ - молярная масса газа,
- $Vm$ - молярный объём газа.
Существуют два вида твердых тел:
- пористые;
- сыпучие.
Замечание 2
Их физические характеристики напрямую влияют на показатели плотности вещества.
Плотность однородных тел
Определение 2
Плотностью однородных тел называют отношение массы тела к его объему.
В понятие плотности вещества вмещают определение плотности однородного и равномерно распределенного тела с неоднородной структурой, которое состоит из этого вещества. Это постоянная величина и для большего понимания информации формируют специальные таблицы, где собраны все распространенные вещества. Значения по каждому веществу разделены на три составляющие:
- плотность тела в твердом состоянии;
- плотность тела в жидком состоянии;
- плотность тела в газообразном состоянии.
Вода достаточно однородное вещество. Некоторые вещества не столь однородны, поэтому для них определяют среднюю плотность тела. Для выведения этого значения необходимо знать результат ρ вещества по каждому компоненту в отдельности. Сыпучие и пористые тела обладают истинной плотностью. Она определяется без учета пустот в своей структуре. Удельную плотность можно рассчитать путём деления массы вещества на весь занимаемый им объём.
Подобные величины связаны между собой коэффициентом пористости. Он представляет собой отношение объёма пустот к общему объёму тела, которое в данный момент исследуется.
Плотность веществ зависит от многих дополнительных факторов. Ряд из них одновременно повышают для одних веществ эту величину, а для остальных - понижают. При низкой температуре происходит увеличение плотности вещества. Некоторые вещества способны реагировать на изменение температурного режима по-разному. В этом случае принято говорить, что плотность при определённом температурном диапазоне ведёт себя аномальным образом. К таким веществам часто относят бронзу, воду, чугун и некоторые другие сплавы. Плотность воды имеет наибольший показатель при 4 градусах по Цельсию. При дальнейшем нагреве или охлаждении этот показатель также существенно может изменяться.
Метаморфозы с плотностью воды происходят при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Показатель ρ меняет в этих случаях свои значения скачкообразным образом. Он поступательно увеличивается при переходе в жидкость из газообразного состояния, а также в момент кристаллизации жидкости.
Существует, и немало, исключительных случаев. Например, кремний имеет при затвердевании небольшие значения по плотности.
Измерение плотности вещества
При эффективном измерении плотности вещества обычно используют специальное оборудование. Оно состоит из:
- весов;
- измерительного прибора в виде линейки;
- мерной колбы.
Если исследуемое вещество находится в твердом состоянии, то в качестве измерительного прибора используют мерку в виде сантиметра. Если исследуемое вещество находится в жидком агрегатном состоянии, то при измерениях используют мерную колбу.
Сначала предстоит измерить объем тела при помощи сантиметра или мерной колбы. Исследователь наблюдает за шкалой измерений и фиксирует получившийся результат. Если исследуется деревянный брус кубической формы, то плотность будет равна значению стороны, возведенную в третью степень. При исследовании жидкости необходимо дополнительно учитывать массу сосуда, при помощи которого проводятся измерения. Полученные значения необходимо подставить в универсальную формулу по плотности вещества и рассчитать показатель.
Для газов расчет показателя происходит очень сложно, поскольку необходимо пользоваться различными измерительными приборами.
Обычно для расчета плотности веществ используют ареометр. Он предназначен для получения результатов у жидкостей. Истинную плотность изучают при помощи пикнометра. Почвы исследуют при помощи буров Качиньского и Зайдельмана.
Один из самых важных контролируемых показателей при производстве косметики и производстве БАД – плотность. В зависимости от производимого продукта специалисты компании «КоролёвФарм » используют несколько понятий и определений плотности.
Более чёткое определение понятия плотности требует уточнения формулировки этого термина:
При таком предельном переходе необходимо учитывать, что на атомарном уровне любое тело является неоднородным, в связи с чем необходимо остановиться на том объёме, который применяется для соответствующей используемой физической модели.
- Насыпная плотность - под насыпной плотностью различных сыпучих материалов (сахар, лактоза, крахмал и т.д.) понимают количество этого порошка (сыпучего продукта), которое находится в свободно засыпанном состоянии в определённой единице объема.
- Относительная плотность – является отношением двух понятий, т.е. терминов, и может рассматриваться как отношение объёмной, то есть насыпной плотности, к истинной плотности.
Плотность продукции является важным параметром при изготовлении косметической продукции, так как она влияет на внешний вид продукта, его органолептические свойства, вес и стоимость готовой продукции. Очень важно учитывать плотность продукта при фасовке изготовленной продукции во флаконы, тубы, банки и так далее.
Например, плотность кремов - меньше единицы. Как правило, плотность крема находиться в пределах 0,96 – 0,98 г/см 3 . В соответствии с проведёнными испытаниями при плотности 0,96 и объеме 50 мл масса крема составит 48 г, а при плотности 0,98 масса увеличивается уже до 49 г.
Плотность шампуней, наоборот, больше или равна единице, она находиться в пределах 1,0 - 1,04 г/см 3 . Исследования показывают, что при плотности 1,0 и объеме 100 мл масса шампуня в упаковке составит 100 г, а при плотности 1,04 уже 104 г.
Как уже говорилось, плотность определяется как отношение массы тела к занимаемому объёму. Поэтому, числовые значения плотности вещества показывают массу принятой или указанной единицы объема этого вещества. Как видно из приведённого примера, плотность металла, в данном случае чугуна, 7 кг/дм 3 . Получается, что 1 дм 3 чугуна имеет массу 7 кг. Сравниваем плотность водопроводной воды – 1 кг/л. Из этого примера следует, что масса 1 л водопроводной воды равна 1 кг. Один и тот же объём разной субстанции или вещества имеют различный вес.
Известно, что при снижении температуры плотность тел увеличивается.
Существует два основных метода определения плотности вещества: ареометрический и пикнометрический. Для измерения плотности различных жидкостей используется ареометр, а для измерения плотности кремов, бальзамов, гелей, зубных паст используется пикнометр.
На основании измеренной плотности косметической продукции по согласованным на предприятии таблицам «Пределы допускаемых отклонений содержимого нетто от номинального количества» в соответствии с ГОСТ 8.579-2002 «Требования к количеству фасованных товаров в упаковке любого вида при их производстве, расфасовке, продаже и импорте» определяются пределы допустимых отклонений содержимого нетто продукта от номинального значения.
Ареометр - прибор, которым пользуются для измерения плотности различных жидкостей и жидких субстанций. Как правило, он представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой значительно расширена в диаметре. При калибровке расширенная часть заполняется дробью или ртутью, которые используются для достижения заданной массы. В верхней части ареометра находится проградуированная шкала в определенных соответствующих значениях плотности. Поскольку плотность жидкостей и жидких субстанций весьма значительно зависит от температуры, поэтому ареометр или снабжают термометром, или производят одновременное измерение температуры жидкости другим термометром.
Для проведения процедуры измерения плотности жидкой субстанции или жидкости чистый ареометр осторожно помещают в достаточного объема мерную мензурку с жидкостью, но таким образом, чтобы ареометр свободно плавал в ней. Значения плотности определяют по шкале ареометра находящейся на нижнем крае мениска жидкости.
В физике Ареометром называют прибор, служащий для определения значения плотности и, следовательно, определения удельного веса тел.
Историки науки считают, что ареометр как прибор для проведения измерений изобрела Гипатия – знаменитая женщина-ученый, астроном, математик и философ, глава Александрийской школы неоплатонизма. Благодаря её научной деятельности были изобретены или усовершенствованы и другие приборы: дистиллятор, астролябия и планисфера.
Устройство современных ареометров, как и ареометров, применяемых в древности, основано на известном гидростатическом законе - законе Архимеда, Как известно из школы младших классов, закон Архимеда гласит, что каждое тело плавает в жидкости и погружается настолько глубоко в нее, что вес вытесненной этим телом жидкости равен весу всего тела, плавающего в этой жидкости.
Интересные обстоятельства предшествовали открытию закона Архимеда, который прославил ученого на все времена. «Эврика!», – восклицает каждый, находя решение трудной задачи, а ведь этому предшествует целая история.
Архимед служил при дворе Гиерона II – тирана Сиракуз, который правил в 270-215 годах до нашей эры, а с 269 года до нашей эры носил титул царя. Гиерон слыл коварным, жадным и подозрительным правителем.
Он подозревал своих ювелиров в том, что при изготовлении золотых изделий они подмешивают в золото серебро или хуже того олово к благородному металлу, что и послужило причиной открытия одного из физических законов. Он поручил Архимеду изобличить мастеров-ювелиров, так как он был уверен, что при изготовлении для него короны ювелиры украли золото.
Для решения этой сложной задачи необходимо знать не только массу, но и определить объём изготовленной короны, а это было самым сложным, чтобы в дальнейшем вычислить плотность металла. Корона имеет сложную и неправильную геометрическую форму, определить её объём - очень не простая задача, над решением которой долгое время размышлял Архимед.
Решение было найдено Архимедом оригинальным способом, когда он погружался в ванну – уровень воды резко поднялся, после того когда он погрузился в воду. Тело учёного вытеснило равный ему объём воды. «Эврика!» - воскликнул Архимед и побежал во дворец, как утверждает легенда, не одевшись. Дальше всё было просто. Он погрузил корону в воду, измерил объём вытесненной жидкости и таким образом определил объём короны.
Благодаря этому Архимедом и был открыт принцип или, как его ещё называют, закон плавучести. Твердое тело, погружённое в жидкость, вытеснит объем жидкости, равный объему погруженного в жидкость тела. В воде может плавать любое тело, если его средняя плотность меньше плотности той жидкости, в которую его поместили.
Закон Архимеда гласит: на всякое тело, которое погружено в жидкость или в газ, действуют выталкивающие силы, направленные вверх и равные весу вытесненной им жидкости или газа.
До настоящего времени человечество успешно применяет знания, полученные от далёких предков во многих областях своей деятельности, в том числе и при производстве косметики.
Как уже говорилось, для измерения плотности используется также пикнометр. Измерение плотности с помощью пикнометра проводят следующим образом.
Перед испытанием необходимо промыть пикнометр последовательно растворителем для удаления следов испытуемого вещества, затем хромовой смесью, водой, спиртом, эфиром, затем высушить до постоянной массы и взвесить (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до четвертого десятичного знака).
Пикнометр заполняется с помощью воронки или пипетки дистиллированной водой немного выше метки, закрывается пробкой и помещается на 20 минут в термостат с температурой (20 ±0,1)°С.
При достижении температуры (20 ±0,1)°С, необходимо довести уровень воды в пикнометре до метки, быстро отбирая излишек воды при помощи пипетки или свернутой в трубку полоски фильтровальной бумаги или, добавляя водой до метки, закрыть пикнометр пробкой и поместить пикнометр в термостат с температурой (20 ±0,1) °С на 10 минут.
Вынуть пикнометр из термостата, взвесить, освободить от воды, высушить его и заполнить пикнометр испытуемой жидкостью и термостатировать.
Вычислите плотность () в г/см 3 по формуле:
где
: m 1 – масса пикнометра с испытуемой жидкостью, г;
m 0 – масса пустого пикнометра, г;
m 2 - масса пикнометра с водой, г;
А – поправка на аэростатические силы, вычисляется по формуле:
А= 0,0012 х V.
где
: V – объем пикнометра, см 3 ;
0,0012 – плотность воздуха при 200С, г/см 3 ;
0,9982 – плотность воды при 200С, г/см 3 ;
На фирме «КоролевФарм» для измерения плотности косметических изделий, имеющих густую консистенцию (эмульсии, крем-гели, гели, бальзамы и т.п.), используется экспресс-метод. Суть его заключается в том, что для проведения испытаний используется калиброванный шприц.
Для определения плотности взвесьте пустой шприц (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до второго десятичного знака), наполните шприц дистиллированной водой до максимальной метки, затем тщательно вытрите поверхность шприца и произведите повторное взвешивание.
Объем (V) шприца определите по формуле:
где
: m 1 – масса шприца с водой (г)
, , 0,9982 - плотность воды при 200С, г/см 3 ;
Снова взвесьте пустой шприц (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до второго десятичного знака), заполните шприц косметической массой до максимальной метки, не допуская попадания пузырьков воздуха.
Тщательно вытрите поверхность шприца и произведите его повторное взвешивание.
Плотность () в г/см 3 вычислите по формуле:
Где,
m 1 – масса шприца с косметическим средством (г)
, m 0 - масса пустого шприца (г)
, V – объем шприца (см 3)
За результат испытания принимают среднеарифметическое результатов двух параллельных определений, расхождение между которыми не превышает 0,01 г/см 3 .
Этот метод позволяет быстро определить плотность изготовленного косметического продукта.