Najniższa gęstość. Jak i w jaki sposób mierzy się gęstość?

Gęstość jest zwykle nazywana wielkością fizyczną, która określa stosunek masy obiektu, substancji lub cieczy do objętości zajmowanej przez nią w przestrzeni. Porozmawiajmy o tym, czym jest gęstość, czym różni się gęstość ciała od substancji i jak (za pomocą jakiego wzoru) znaleźć gęstość w fizyce.

Rodzaje gęstości

Należy wyjaśnić, że gęstość można podzielić na kilka typów.

W zależności od badanego obiektu:

Gęstość ciała - dla ciał jednorodnych - jest bezpośrednim stosunkiem masy ciała do jego objętości zajmowanej w przestrzeni.
Gęstość substancji to gęstość ciał składających się z tej substancji. Gęstość substancji jest stała. Istnieją specjalne tabele wskazujące gęstość różnych substancji. Na przykład gęstość aluminium wynosi 2,7 * 103 kg/m3. Znając gęstość aluminium i masę ciała z niego wykonanego, możemy obliczyć objętość tego ciała. Albo wiedząc, że ciało składa się z aluminium i znając objętość tego ciała, możemy łatwo obliczyć jego masę. Przyjrzymy się, jak znaleźć te wielkości nieco później, kiedy wyprowadzimy wzór na obliczenie gęstości.
Jeżeli ciało składa się z kilku substancji, to w celu określenia jego gęstości należy obliczyć gęstość jego części dla każdej substancji osobno. Gęstość tę nazywa się średnią gęstością ciała.

W zależności od porowatości substancji, z której zbudowany jest korpus:

Prawdziwa gęstość to gęstość obliczona bez uwzględnienia pustych przestrzeni w ciele.
Ciężar właściwy – czyli gęstość pozorna – to ciężar właściwy, który jest obliczany z uwzględnieniem pustych przestrzeni w bryle składającej się z porowatej lub kruchej substancji.

Jak więc znaleźć gęstość?

Wzór na obliczenie gęstości

Wzór pomagający obliczyć gęstość ciała jest następujący:

p = m / V, gdzie p to gęstość substancji, m to masa ciała, V to objętość ciała w przestrzeni.

Jeśli obliczymy gęstość konkretnego gazu, wzór będzie wyglądał następująco:

p = M / V m p – gęstość gazu, M – masa molowa gazu, V m – objętość molowa, która w normalnych warunkach wynosi 22,4 l/mol.

Przykład: masa substancji wynosi 15 kg, zajmuje ona 5 litrów. Jaka jest gęstość substancji?

Rozwiązanie: podstaw wartości do wzoru

p = 15 / 5 = 3 (kg/l)

Odpowiedź: gęstość substancji wynosi 3 kg/l

Jednostki gęstości

Oprócz wiedzy, jak znaleźć gęstość ciała i substancji, musisz także znać jednostki miary gęstości.

Dla ciał stałych - kg/m 3, g/cm 3
Dla cieczy - 1 g/l lub 10 3 kg/m 3
Dla gazów - 1 g/l lub 10 3 kg/m 3

Więcej o jednostkach gęstości przeczytasz w naszym artykule.

Jak znaleźć gęstość w domu

Aby znaleźć gęstość ciała lub substancji w domu, będziesz potrzebować:

Waga;
Centymetr, jeśli ciało jest stałe;
Naczynie, jeśli chcesz zmierzyć gęstość cieczy.

Aby znaleźć gęstość ciała w domu, należy zmierzyć jego objętość za pomocą centymetra lub naczynia, a następnie umieścić ciało na wadze. Jeśli mierzysz gęstość cieczy, przed wykonaniem obliczeń pamiętaj o odjęciu masy pojemnika, do którego wlałeś ciecz. Znacznie trudniej jest obliczyć gęstość gazów w domu, zalecamy skorzystanie z gotowych tabel, które już wskazują gęstości różnych gazów.

Wszystko wokół nas składa się z różnych substancji. Statki i łaźnie buduje się z drewna, żelazka i łóżeczka dziecięce z żelaza, opony na kółkach i gumki do ołówków z gumy. A różne przedmioty mają różną wagę - każdy z nas może z łatwością unieść soczystego, dojrzałego melona z rynku, ale będziemy musieli się pocić nad ciężarem tej samej wielkości.

Wszyscy pamiętają słynny dowcip: „Co jest cięższe? Kilogram gwoździ czy kilogram puchu? Nie damy się już nabrać na ten dziecinny chwyt, wiemy, że waga obu będzie taka sama, ale objętość będzie znacząco inna. Dlaczego więc tak się dzieje? Dlaczego różne ciała i substancje mają różne masy przy tej samej wielkości? Lub odwrotnie, ta sama waga w różnych rozmiarach? Oczywiście istnieje pewna cecha, dzięki której substancje tak bardzo się od siebie różnią. W fizyce ta cecha nazywa się gęstością materii i uczy się jej w siódmej klasie.

Gęstość substancji: definicja i wzór

Definicja gęstości substancji jest następująca: gęstość pokazuje, jaka jest masa substancji w jednostce objętości, na przykład w jednym metrze sześciennym. Zatem gęstość wody wynosi 1000 kg/m3, a lodu 900 kg/m3, dlatego lód jest lżejszy i zimą zalega na wierzchu zbiorników. To znaczy, co w tym przypadku pokazuje nam gęstość materii? Gęstość lodu wynosząca 900 kg/m3 oznacza, że kostka lodu o boku 1 metra waży 900 kg. A wzór na określenie gęstości substancji jest następujący: gęstość = masa/objętość. Wielkości zawarte w tym wyrażeniu oznacza się następująco: masa – m, objętość ciała – V, a gęstość oznacza się literą ρ (grecka litera „rho”). A formułę można zapisać w następujący sposób:

Jak znaleźć gęstość substancji

Jak znaleźć lub obliczyć gęstość substancji? Aby to zrobić, musisz znać objętość i masę ciała. Oznacza to, że mierzymy substancję, ważymy ją, a następnie po prostu podstawiamy uzyskane dane do wzoru i znajdujemy potrzebną wartość. Sposób pomiaru gęstości substancji jest jasny ze wzoru. Mierzy się ją w kilogramach na metr sześcienny. Czasami używają również wartości takiej jak gramy na centymetr sześcienny. Konwersja jednej wartości na drugą jest bardzo prosta. 1 g = 0,001 kg i 1 cm3 = 0,000001 m3. Odpowiednio 1 g/(cm)^3 = 1000kg/m^3. Należy również pamiętać, że gęstość substancji jest różna w różnych stanach skupienia. To znaczy w postaci stałej, ciekłej lub gazowej. Gęstość ciał stałych jest najczęściej większa niż gęstość cieczy i znacznie większa niż gęstość gazów. Być może bardzo przydatnym dla nas wyjątkiem jest woda, która, jak już rozważaliśmy, w stanie stałym waży mniej niż w stanie ciekłym. To właśnie dzięki tej dziwnej właściwości wody możliwe jest życie na Ziemi. Jak wiemy, życie na naszej planecie powstało w oceanach. A gdyby woda zachowywała się jak wszystkie inne substancje, to woda w morzach i oceanach zamarzłaby, a lód, będąc cięższy od wody, opadłby na dno i leżał tam, nie topiąc się. I tylko na równiku, w małej kolumnie wody, istniałoby życie w postaci kilku gatunków bakterii. Możemy więc podziękować wodzie za nasze istnienie.

Jak to się dzieje, że ciała zajmujące tę samą objętość w przestrzeni mogą mieć różne masy? Wszystko zależy od ich gęstości. Z tym pojęciem zapoznajemy się już w siódmej klasie, w pierwszym roku nauczania fizyki w szkole. Jest to podstawowa koncepcja fizyczna, która może otworzyć przed człowiekiem MKT (teorię kinetyki molekularnej) nie tylko na kursie fizyki, ale także chemii. Za jego pomocą człowiek może scharakteryzować dowolną substancję, czy to wodę, drewno, ołów czy powietrze.

Rodzaje gęstości

Jest to więc wielkość skalarna równa stosunkowi masy badanej substancji do jej objętości, to znaczy można ją również nazwać ciężarem właściwym. Oznacza się ją grecką literą „ρ” (czytaną jako „rho”), której nie należy mylić z „p” – litera ta jest zwykle używana do oznaczenia nacisku.

Jak znaleźć gęstość w fizyce? Skorzystaj ze wzoru na gęstość: ρ = m/V

Wartość tę można mierzyć w g/l, g/m3 i ogólnie w dowolnych jednostkach związanych z masą i objętością. Jaka jest jednostka gęstości w układzie SI? ρ = [kg/m3]. Przeliczenie pomiędzy tymi jednostkami odbywa się poprzez elementarne operacje matematyczne. Jednak szerzej stosowana jest jednostka miary SI.

Oprócz standardowego wzoru, stosowanego tylko dla ciał stałych, istnieje również wzór na gaz w warunkach normalnych (n.s.).

ρ (gaz) = M/Vm

M to masa molowa gazu [g/mol], Vm to objętość molowa gazu (w normalnych warunkach wartość ta wynosi 22,4 l/mol).

Aby pełniej zdefiniować to pojęcie, warto doprecyzować, o jaką ilość chodzi.

Gęstość ciał jednorodnych to dokładnie stosunek masy ciała do jego objętości.
Istnieje również pojęcie „gęstości substancji”, czyli gęstości jednorodnego lub równomiernie rozłożonego niejednorodnego ciała składającego się z tej substancji. Wartość ta jest stała. Istnieją tabele (z których prawdopodobnie korzystałeś na lekcjach fizyki), które zawierają wartości dla różnych substancji stałych, ciekłych i gazowych. Zatem liczba ta dla wody wynosi 1000 kg/m3. Znając tę wartość i np. objętość wanny, możemy wyznaczyć masę wody, która się w niej zmieści, podstawiając znane wartości do powyższego formularza.
Jednak nie wszystkie substancje są jednorodne. Dla takich osób stworzono określenie „przeciętna gęstość ciała”. Aby wyprowadzić tę wartość, należy obliczyć wartość ρ każdego składnika danej substancji z osobna i obliczyć wartość średnią.

Ciała porowate i ziarniste charakteryzują się między innymi:

Prawdziwa gęstość, którą określa się bez uwzględnienia pustych przestrzeni w konstrukcji.
Gęstość właściwa (pozorna), którą można obliczyć dzieląc masę substancji przez całą zajmowaną przez nią objętość.

Te dwie wielkości są ze sobą powiązane współczynnikiem porowatości - stosunkiem objętości pustek (porów) do całkowitej objętości badanego ciała.

Gęstość substancji może zależeć od wielu czynników, a niektóre z nich mogą jednocześnie zwiększać tę wartość dla niektórych substancji i zmniejszać ją dla innych. Na przykład w niskich temperaturach wartość ta zwykle wzrasta, jednak istnieje wiele substancji, których gęstość zachowuje się nienormalnie w pewnym zakresie temperatur. Substancje te obejmują żeliwo, wodę i brąz (stop miedzi i cyny).

Przykładowo ρ wody ma największą wartość w temperaturze 4°C, a następnie w zależności od tej wartości może się zmieniać zarówno podczas ogrzewania, jak i chłodzenia.

Warto też powiedzieć, że gdy substancja przechodzi z jednego ośrodka do drugiego (ciało stałe-ciecz-gaz), czyli gdy zmienia się stan skupienia, ρ również zmienia swoją wartość i to skokowo: zwiększa się przy przejściu z gazu do cieczy i podczas krystalizacji cieczy. Jednak i tutaj istnieje szereg wyjątków. Na przykład bizmut i krzem mają niewielką wartość w krzepnięciu. Ciekawostka: gdy woda krystalizuje, czyli zamienia się w lód, zmniejsza się także jej wydajność, dlatego lód nie tonie w wodzie.

Jak łatwo obliczyć gęstość różnych ciał

Będziemy potrzebować następującego sprzętu:

Waga.
Centymetr (miara), jeśli badane ciało jest w stałym stanie skupienia.
Kolba miarowa, jeśli badana substancja jest cieczą.

Najpierw mierzymy objętość badanego ciała za pomocą kolby centymetrowej lub miarowej. W przypadku cieczy po prostu patrzymy na istniejącą skalę i zapisujemy wynik. W przypadku sześciennej belki drewnianej będzie ona odpowiednio równa wartości bocznej podniesionej do trzeciej potęgi. Po zmierzeniu objętości należy umieścić badane ciało na wadze i zapisać wartość masy. Ważny! Jeśli badamy ciecz, nie zapomnij wziąć pod uwagę masy naczynia, do którego wlewa się badaną substancję. Podstawiamy otrzymane eksperymentalnie wartości do wzoru opisanego powyżej i obliczamy pożądany wskaźnik.

Trzeba powiedzieć, że ten wskaźnik dla różnych gazów jest znacznie trudniejszy do obliczenia bez specjalnych przyrządów, dlatego jeśli potrzebujesz ich wartości, lepiej skorzystać z gotowych wartości z tabeli gęstości substancji.

Do pomiaru tej wartości stosuje się również specjalne instrumenty:

Piknometr pokazuje rzeczywistą gęstość.
Areometr przeznaczony jest do pomiaru tego wskaźnika w cieczach.
Wiertło Kaczyńskiego i wiertło Seidelmana to urządzenia, za pomocą których bada się gleby.
Gęstościomierz wibracyjny służy do pomiaru określonej ilości cieczy i różnych gazów pod ciśnieniem.

Instrukcje

Znając obie powyższe wartości, można napisać wzór na obliczenie gęstości Substancje: gęstość = masa/objętość, stąd pożądana wartość. Przykład. Wiadomo, że kry o objętości 2 metrów sześciennych waży 1800 kg. Znajdź gęstość lodu. Rozwiązanie: gęstość wynosi 1800 kg/2 metry sześcienne, co daje 900 kg podzielone przez sześcienny. Czasami trzeba przeliczyć jednostki gęstości na siebie. Aby się nie pomylić, warto pamiętać: 1 g/cm3 do sześcianu równa się 1000 kg/m3 do sześcianu. Przykład: 5,6 g/cm3 do sześcianu równa się 5,6*1000 = 5600 kg/m3 do sześcianu.

Wody, jak każdej cieczy, nie zawsze można zważyć na wadze. Ale dowiedz się masa może być konieczne zarówno w niektórych branżach, jak i w zwykłych codziennych sytuacjach, od obliczenia zbiorników po podjęcie decyzji o wielkości rezerwy woda można go zabrać ze sobą kajakiem lub gumową łódką. Aby obliczyć masa woda lub dowolną ciecz umieszczoną w określonej objętości, przede wszystkim musisz znać jej gęstość.

Będziesz potrzebować

Przybory pomiarowe
Linijka, miarka lub inne urządzenie pomiarowe
Naczynie do nalewania wody

Instrukcje

Jeśli musisz obliczyć masa woda w małym naczyniu można to zrobić za pomocą zwykłej wagi. Najpierw zważ naczynie wraz z. Następnie wlej wodę do innego pojemnika. Następnie zważ puste naczynie. Odejmij od pełnego naczynia masa pusty. Będzie to znajdować się w naczyniu woda. W ten sposób możesz masa nie tylko płynne, ale także luzem, jeśli można je przelać do innego pojemnika. Tę metodę można czasami nadal zaobserwować w niektórych sklepach, w których nie ma sprzętu. Sprzedawca najpierw waży pusty słoik lub butelkę, następnie napełnia go kwaśną śmietaną, waży ponownie, określa wagę śmietany, a dopiero potem oblicza jej koszt.

W celu określenia masa woda w naczyniu, którego nie można zważyć, musisz znać dwa parametry - woda(lub inną ciecz) i objętość naczynia. Gęstość woda wynosi 1 g/ml. Gęstość innej cieczy można znaleźć w specjalnej tabeli, którą zwykle można znaleźć w podręcznikach.

Jeżeli nie ma miarki, do której można nalać wody, oblicz objętość naczynia, w którym się ona znajduje. Objętość jest zawsze równa iloczynowi powierzchni podstawy i wysokości, a przy naczyniach o stałym kształcie zwykle nie ma problemów. Tom woda w słoiku będzie równa powierzchni okrągłej podstawy o wysokość napełnioną wodą. Mnożąc gęstość? na objętość woda V, otrzymasz masa woda m: m=?*V.

Wideo na ten temat

notatka

Masę można wyznaczyć znając ilość wody i jej masę molową. Masa molowa wody wynosi 18, ponieważ składa się z mas molowych 2 atomów wodoru i 1 atomu tlenu. MH2O = 2MH+MO=2 1+16=18 (g/mol). m=n*M, gdzie m to masa wody, n to ilość, M to masa molowa.

Wszystkie substancje mają określoną gęstość. W zależności od zajmowanej objętości i zadanej masy obliczana jest gęstość. Wyznacza się go na podstawie danych eksperymentalnych i przekształceń numerycznych. Ponadto gęstość zależy od wielu różnych czynników, przez co zmienia się jej stała wartość.

Instrukcje

Wyobraź sobie, że dostajesz naczynie wypełnione po brzegi wodą. Zadanie polega na znalezieniu gęstości wody bez znajomości masy i objętości. Aby obliczyć gęstość, oba parametry należy znaleźć eksperymentalnie. Zacznij od określenia masy.
Weź naczynie i postaw je na wadze. Następnie wylej z niego wodę i ponownie postaw naczynie na tej samej wadze. Porównaj wyniki pomiarów i uzyskaj wzór na znalezienie masy wody:
mob.- mс.=mв., gdzie mob. - masa naczynia z wodą (masa całkowita), mс - masa naczynia bez wody.
Drugą rzeczą, którą musisz znaleźć, jest woda. Do naczynia miarowego wlej wodę, a następnie przy pomocy znajdującej się na niej skali określ objętość wody zawartej w naczyniu. Dopiero potem skorzystaj ze wzoru, aby znaleźć gęstość wody:
ρ=m/V
Doświadczenie to może jedynie w przybliżeniu określić gęstość wody. Jednak pod wpływem pewnych czynników może. Zapoznaj się z najważniejszymi z tych czynników.

W temperaturze wody t=4°C woda ma gęstość ρ=1000 kg/m^3 lub 1 g/cm^3. Kiedy to się zmienia, zmienia się również gęstość. Ponadto czynniki wpływające na gęstość

Rysunek 1. Tabela gęstości niektórych substancji. Author24 - internetowa wymiana prac studenckich

Wszystkie ciała w otaczającym nas świecie mają różne rozmiary i objętości. Ale nawet przy tych samych danych objętościowych masa substancji będzie się znacznie różnić. W fizyce zjawisko to nazywa się gęstością materii.

Gęstość to podstawowe pojęcie fizyczne, które daje wyobrażenie o cechach każdej znanej substancji.

Definicja 1

Gęstość substancji jest wielkością fizyczną, która pokazuje masę określonej substancji na jednostkę objętości.

Jednostką objętości w odniesieniu do gęstości substancji jest zwykle metr sześcienny lub centymetr sześcienny. Oznaczanie gęstości substancji odbywa się za pomocą specjalnego sprzętu i instrumentów.

Aby określić gęstość substancji, należy podzielić masę jej ciała przez własną objętość. Przy obliczaniu gęstości substancji stosuje się następujące wartości:

masa ciała ($m$); objętość ciała ($V$); gęstość ciała ($ρ$)

Notatka 1

$ρ$ to litera greckiego alfabetu „rho” i nie należy jej mylić z podobnym oznaczeniem ciśnienia - $p$ („peh”).

Wzór na gęstość substancji

Gęstość substancji oblicza się za pomocą układu pomiarowego SI. W nim jednostki gęstości wyrażane są w kilogramach na metr sześcienny lub gramach na centymetr sześcienny. Można także zastosować dowolny system miar.

Substancja ma różne stopnie gęstości, jeśli znajduje się w różnych stanach skupienia. Innymi słowy, gęstość substancji w stanie stałym będzie inna niż gęstość tej samej substancji w stanie ciekłym lub gazowym. Na przykład woda ma gęstość w normalnym stanie ciekłym wynoszącą 1000 kilogramów na metr sześcienny. W stanie zamrożonym woda (lód) będzie miała już gęstość 900 kilogramów na metr sześcienny. Para wodna przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze bliskiej zera stopni będzie miała gęstość 590 kilogramów na metr sześcienny.

Standardowy wzór na gęstość substancji jest następujący:

Oprócz standardowego wzoru, który jest używany tylko dla ciał stałych, istnieje wzór na gaz w normalnych warunkach:

$ρ = M / Vm$, gdzie:

$M$ to masa molowa gazu,
$Vm$ to objętość molowa gazu.

Istnieją dwa rodzaje ciał stałych:

porowaty;
cielsko.

Uwaga 2

Ich właściwości fizyczne bezpośrednio wpływają na gęstość substancji.

Gęstość ciał jednorodnych

Definicja 2

Gęstość ciał jednorodnych to stosunek masy ciała do jego objętości.

Pojęcie gęstości substancji obejmuje definicję gęstości jednorodnego i równomiernie rozłożonego ciała o niejednorodnej strukturze, które składa się z tej substancji. Jest to wartość stała i dla lepszego zrozumienia informacji tworzone są specjalne tabele, w których gromadzone są wszystkie popularne substancje. Wartości dla każdej substancji są podzielone na trzy składniki:

gęstość ciała w stanie stałym;
gęstość ciała w stanie ciekłym;
gęstość ciała w stanie gazowym.

Woda jest substancją dość jednorodną. Niektóre substancje nie są tak jednorodne, dlatego określa się dla nich średnią gęstość ciała. Aby wyprowadzić tę wartość, należy znać wynik ρ substancji dla każdego składnika osobno. Ciała luźne i porowate mają gęstość rzeczywistą. Określa się go bez uwzględnienia pustych przestrzeni w jego strukturze. Ciężar właściwy można obliczyć, dzieląc masę substancji przez całą zajmowaną przez nią objętość.

Podobne wartości są ze sobą powiązane współczynnikiem porowatości. Reprezentuje stosunek objętości pustych przestrzeni do całkowitej objętości ciała aktualnie badanego.

Gęstość substancji zależy od wielu dodatkowych czynników. Wiele z nich jednocześnie zwiększa tę wartość dla niektórych substancji i zmniejsza ją dla innych. W niskich temperaturach gęstość substancji wzrasta. Niektóre substancje potrafią na różne sposoby reagować na zmiany temperatury. W tym przypadku zwyczajowo mówi się, że gęstość zachowuje się nienormalnie w pewnym zakresie temperatur. Do takich substancji często zalicza się brąz, wodę, żeliwo i niektóre inne stopy. Gęstość wody jest największa w temperaturze 4 stopni Celsjusza. Przy dalszym ogrzewaniu lub chłodzeniu wskaźnik ten może również znacznie się zmienić.

Metamorfozy gęstości wody zachodzą podczas przejścia z jednego stanu skupienia do drugiego. Wskaźnik ρ zmienia w tych przypadkach swoje wartości w sposób gwałtowny. Stopniowo wzrasta podczas przejścia cieczy ze stanu gazowego, a także w momencie krystalizacji cieczy.

Jest wiele wyjątkowych przypadków. Na przykład krzem ma niską gęstość po zestaleniu.

Pomiar gęstości materii

Aby skutecznie zmierzyć gęstość substancji, zwykle stosuje się specjalny sprzęt. Składa się ona z:

waga;
przyrząd pomiarowy w postaci linijki;
kolba miarowa.

Jeżeli badana substancja jest w stanie stałym, jako urządzenie pomiarowe stosuje się miarę w postaci centymetra. Jeżeli badana substancja jest w stanie ciekłym, do pomiarów używa się kolby miarowej.

Najpierw musisz zmierzyć objętość ciała za pomocą centymetra lub kolby miarowej. Badacz obserwuje skalę pomiarową i zapisuje uzyskany wynik. Jeśli zbadamy drewnianą belkę w kształcie sześcianu, gęstość będzie równa wartości boku podniesionego do trzeciej potęgi. Podczas badania cieczy należy dodatkowo wziąć pod uwagę masę naczynia, za pomocą którego dokonywane są pomiary. Otrzymane wartości należy podstawić do uniwersalnego wzoru na gęstość substancji i obliczyć wskaźnik.

W przypadku gazów obliczenie wskaźnika jest bardzo trudne, ponieważ konieczne jest użycie różnych przyrządów pomiarowych.

Zazwyczaj do obliczania gęstości substancji używa się areometru. Jest przeznaczony do uzyskiwania wyników z cieczy. Gęstość rzeczywistą bada się za pomocą piknometru. Gleby bada się wiertłami Kaczyńskiego i Seidelmana.