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.
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, коли б був важчий 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.
Як виходить, що тіла, які займають однаковий обсяг у просторі, можуть мати різну масу? Вся справа в їхній щільності. З цим поняттям ми знайомимося вже у 7 класі, у перший рік викладання фізики у школі. Воно є основним фізичним поняттям, здатним відкрити для людини МКТ (молекулярно-кінетичну теорію) у курсі фізики, а й у хімії. За допомогою нього людина може характеризувати будь-яку речовину, будь то вода, дерево, свинець чи повітря.
Види щільності
Отже, це скалярна величина, яка дорівнює відношенню маси досліджуваної речовини до його обсягу, тобто ще може бути названа питомою масою. Позначається грецькою літерою "ρ" (читається як "ро"), не плутати з "p" - цією літерою прийнято позначати тиск.
Як знайти щільність у фізиці? Використовуйте формулу густини: ρ = m/V
Ця величина може вимірюватися і в г/л, г/м3 і взагалі в будь-яких одиницях, пов'язаних із масою та об'ємом. Яка одиниця густини в СІ? ρ = [кг/м3]. Переведення між цими одиницями здійснюється через елементарні математичні операції. Проте найбільше застосування має саме одиниця виміру СІ.
Крім стандартної формули, яка використовується лише для твердих речовин, існує і формула для газу в нормальних умовах (н.у.).
ρ (газу) = M/Vm
M - молярна маса газу [г/моль], Vm - молярний об'єм газу (за нормальних умов ця величина дорівнює 22,4 л/моль).
Щоб повніше визначити це поняття, варто уточнити, яка саме величина мається на увазі.
- Щільність однорідних тіл – це саме відношення маси тіла до його обсягу.
- Також є поняття "щільність речовини", тобто щільність однорідного або рівномірно розподіленого неоднорідного тіла, що складається з цієї речовини. Ця величина стала. Існують таблиці (якими ви, напевно, користувалися на уроках фізики), в яких зібрані значення для різних твердих, рідких і газоподібних речовин. Так, цей показник для води дорівнює 1000 кг/м3. Знаючи цю величину і, наприклад, обсяг ванни ми можемо визначити масу води, яка в ній поміститься, підставивши вищевикладену форму відомі значення.
- Проте чи всі речовини є однорідними. Для них створено термін «середня щільність тіла». Щоб вивести це значення, необхідно дізнатися кожного компонента даної речовини окремо і вирахувати середню величину.
Пористі та сипкі тіла, крім іншого, мають:
- Справжню щільність, яка визначається без урахування порожнеч у структурі.
- Питому (здається) щільність, яку можна розрахувати шляхом розподілу маси речовини на весь об'єм, який він займає.
Ці дві величини пов'язані між собою коефіцієнтом пористості - відношення обсягу порожнеч (пор) до загального обсягу досліджуваного тіла.
Щільність речовин може залежати від ряду факторів, причому деякі з них одночасно можуть підвищувати цю величину для одних речовин та знижувати – для інших. Наприклад, при низькій температурі зазвичай відбувається збільшення даної величини, однак, існує ряд речовин, чия щільність у певному температурному діапазоні поводиться аномально. До цих речовин відносять чавун, воду та бронзу (сплав міді з оловом).
Наприклад, ρ води має найбільший показник за температури 4 °C, а потім щодо цього значення може змінюватися як при нагріванні, так і при охолодженні.
Також варто сказати про те, що при переході речовини з одного середовища в інше (тверде-рідко-газоподібне), тобто при зміні агрегатного стану ρ теж змінює своє значення і робить це стрибками: наростає при переході з газу в рідину і кристалізації рідини . Однак і тут існує низка винятків. Наприклад, вісмут і кремній мають невелике значення при затвердінні. Цікавий факт: вода при кристалізації, тобто при перетворенні на лід, також зменшує свої показники, і саме тому лід не тоне у воді.
Як легко порахувати щільність різних тіл
Нам знадобиться таке обладнання:
- Терези.
- Сантиметр (мірка), якщо тіло, що досліджується, знаходиться в твердому агрегатному стані.
- Мірна колба, якщо досліджувана речовина – рідина.
Для початку ми вимірюємо об'єм досліджуваного тіла за допомогою сантиметра або мірної колби. У випадку рідини ми просто дивимося на наявну шкалу і записуємо результат. Для дерев'яного бруса кубічної форми вона, відповідно, дорівнюватиме значення сторони, зведеного в третій ступінь. Вимірявши обсяг, ставимо досліджуване тіло на ваги та записуємо значення маси. Важливо! Якщо ви досліджуєте рідину, не забудьте врахувати масу судини, в яку налито тіло, що досліджується. Підставляємо експериментально отримані значення формулу, описану вище, і розраховуємо потрібний показник.
Потрібно сказати, що цей показник для різних газів без спеціальних приладів обчислити набагато важче, тому якщо вам знадобляться їх значення, краще скористайтеся готовими значеннями з таблиці щільності речовин.
Також для вимірювання цієї величини використовуються спеціальні прилади:
- Пікнометр показує справжню густину.
- Ареометр призначений для вимірювання цього показника у рідин.
- Бурик Качинського та бур Зайдельмана - пристрої, за допомогою яких досліджують ґрунти.
- Вібраційний щільник застосовують для вимірювання даної величини рідини і різних газів, що знаходяться під тиском.
Інструкція
Знаючи дві вищезгадані величини, можна записати формулу для розрахунку щільності речовини: щільність = маса / обсяг, звідси і виходить шуканої величини. приклад. Відомо, що крижина об'ємом 2 кубічних метри 1800 кг. Знайти густину льоду. Рішення: щільність дорівнює 1800 кг/2 метри в кубі, виходить 900 кг, поділених на кубічні. Іноді доводиться переводити одиниці густини одна в одну. Щоб не заплутатися, слід пам'ятати: 1г/см у кубі дорівнює 1000 кг/м у кубі. Приклад: 5,6 г/см у кубі дорівнює 5,6*1000 = 5600 кг/м3 у кубі.
Воду, як і будь-яку рідину, не завжди можна зважити на терезах. Але дізнатися масубуває необхідно як у деяких виробництвах, і у звичайних життєвих ситуаціях, від розрахунку резервуарів до вирішення питання, який запас водиви можете взяти з собою в байдарку або гумовий човен. Для того, щоб обчислити масу водиабо будь-якої рідини, поміщеної в той чи інший об'єм, насамперед необхідно знати її густину.
Вам знадобиться
- Мірний посуд
- Лінійка, рулетка або будь-який інший вимірювальний прилад
- Посудина для переливання води
Інструкція
Якщо вам потрібно обчислити масу водиу невеликій посудині, це можна зробити за допомогою звичайних ваг. Зважте спочатку посудину разом із . Потім перелийте воду в інший посуд. Після цього зважте порожню посудину. З повної посудини відніміть масупорожній. Це і буде у посудині води. Таким чином можна масуне тільки рідких, а й сипких, якщо є можливість їх пересипати в інший посуд. Такий спосіб іноді можна спостерігати в деяких магазинах, де немає обладнання. Продавець спочатку зважує порожню банку чи пляшку, потім заповнює її сметаною, зважує знову, визначає вагу сметани і лише після цього розраховує її вартість.
Для того, щоб визначити масу водиу посудині, яку неможливо зважити, необхідно знати два параметри - води(або будь-якої іншої рідини) та об'єм судини. Щільність водискладає 1 г/мл. Щільність іншої рідини можна знайти у спеціальній таблиці, яка зазвичай у довідниках по .
Якщо немає мірного посуду, в який можна перелити воду, обчисліть об'єм посудини, в якій вона знаходиться. Обсяг завжди дорівнює добутку площі підстави на висоту, і з судинами постій форми зазвичай проблем не виникає. Об'єм водиу банку дорівнюватиме площі круглої основи на висоту, заповнену водою. Помноживши густину? на обсяг води V, ви отримаєте масу води m: m=?*V.
Відео на тему
Зверніть увагу
Визначити масу можна і знаючи кількість води та її молярну масу. Молярна маса води дорівнює 18, оскільки складається з молярних мас 2 атомів водню та 1 атома кисню. MH2O = 2MH+MO=2·1+16=18 (г/моль). m=n*M, де m – маса води, n – кількість, M – молярна маса.
Усі речовини мають певну густину. Залежно від об'єму, що займається, і заданої маси, обчислюється щільність. Вона знаходиться, виходячи з експериментальних даних та числових перетворень. Крім того, щільність залежить від багатьох різних факторів, у зв'язку з якими змінюється її постійне значення.
Інструкція
Уявіть собі, що дана деяка посудина, до країв заповнена водою. У задачі необхідно знайти густину води, при цьому не знаючи ні маси, ні об'єму. Для того, щоб обчислити густину, слід знайти обидва параметри експериментально. Почніть із визначення маси.
Візьміть посудину і поставте його на ваги. Потім виллєте з нього воду, після чого знову поставте посудину на ті ж ваги. Порівняйте результати вимірювань та отримайте формулу для знаходження маси води:
mоб.- mс.=mв., де mоб. - маса судини з водою (загальна маса), mс - маса судини без води.
Друге, що потрібно знайти - води. Перелийте воду в мірну посудину, потім за шкалою, що є на ній, визначте, обсяг води містився в посудині. Лише після цього за формулою знайдіть густину води:
ρ=m/V
За допомогою цього досвіду можна лише приблизно визначити густину води. Однак під впливом деяких факторів вона може . Ознайомтеся з найважливішими з таких факторів.
При температурі води t=4 °C вода має густину ρ=1000 кг/м^3 або 1 г/см^3. При зміні змінюється щільність. Крім цього, до факторів, що впливають на щільність
Малюнок 1. Таблиця густин деяких речовин. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт
Всі тіла в навколишньому світі мають різні розміри та обсяги. Але навіть за однакових об'ємних даних маса речовин істотно відрізнятиметься. У фізиці таке явище називають густиною речовини.
Щільність - це основне фізичне поняття, що дає уявлення про характеристики будь-якої відомої речовини.
Визначення 1
Щільність речовини - фізична величина, яка показує масу певної речовини в одиниці обсягу.
Одиницями об'єму в перерахунку густини речовини зазвичай є кубічний метр або кубічний сантиметр. Визначення щільності речовини здійснюється спеціальним обладнанням та приладами.
Для визначення щільності речовини необхідно масу тіла поділити на власний обсяг. При розрахунку густини речовини використовують такі величини:
масу тіла ($ m $); обсяг тіла ($ V $); густина тіла ($ρ$)
Зауваження 1
$ρ$ - це літера грецького алфавіту "ро" і її не можна плутати зі схожим позначенням тиску - $p$ («пэ»).
Формула густини речовини
Розрахунок густини речовини походить з використання системи вимірювань СІ. У ній одиниці щільності виражаються у кілограмах на кубічний метр чи грамах на кубічний сантиметр. Також можна використовувати будь-яку систему виміру.
У речовини бувають різні ступені щільності, якщо вона знаходиться в різних агрегатних станах. Іншими словами, щільність речовини, що знаходиться в твердому стані, буде іншим, ніж щільність цієї речовини в рідкому або газоподібному стані. Наприклад, для води характерна щільність у звичайному рідкому стані 1000 кілограмів на кубічний метр. У замороженому стані вода (лід) матиме густину вже 900 кілограмів на кубічний метр. Водяна пара за нормального атмосферного тиску і температури близької до нуля градусів матиме щільність 590 кілограмів на кубічний метр.
Стандартна формула густини речовини виглядає наступним чином:
Крім стандартної формули, яка використовується тільки для твердих речовин, існує формула для газу в нормальних умовах:
$ρ = M / Vm$, де:
- $M$ - молярна маса газу,
- $Vm$ - молярний обсяг газу.
Існують два види твердих тіл:
- пористі;
- сипкі.
Примітка 2
Їхні фізичні характеристики безпосередньо впливають на показники щільності речовини.
Щільність однорідних тіл
Визначення 2
Щільністю однорідних тіл називають відношення маси тіла до його об'єму.
У поняття густини речовини вміщують визначення густини однорідного і рівномірно розподіленого тіла з неоднорідною структурою, що складається з цієї речовини. Це стала величина й у більшого розуміння інформації формують спеціальні таблиці, де зібрані все поширені речовини. Значення по кожній речовині поділені на три складові:
- щільність тіла у твердому стані;
- щільність тіла у рідкому стані;
- щільність тіла у газоподібному стані.
Вода досить однорідна речовина. Деякі речовини менш однорідні, тому їм визначають середню щільність тіла. Для виведення цього значення необхідно знати результат речовини по кожному компоненту окремо. Сипучі і пористі тіла мають справжню щільність. Вона визначається без урахування порожнеч у своїй структурі. Питому щільність можна розрахувати шляхом розподілу маси речовини на весь об'єм, який він займає.
Такі величини пов'язані між собою коефіцієнтом пористості. Він є відношенням обсягу порожнеч до загального обсягу тіла, яке в даний момент досліджується.
Щільність речовин залежить багатьох додаткових чинників. Ряд їх одночасно підвищують одних речовин цю величину, а інших - знижують. При низькій температурі відбувається збільшення густини речовини. Деякі речовини здатні реагувати зміну температурного режиму по-різному. У цьому випадку прийнято говорити, що щільність при певному температурному діапазоні поводиться аномально. До таких речовин часто відносять бронзу, воду, чавун та інші сплави. Щільність води має найбільший показник за 4 градусів за Цельсієм. При подальшому нагріванні або охолодженні цей показник також може істотно змінюватися.
Метаморфози із щільністю води відбуваються при переході з одного агрегатного стану до іншого. Показник ρ змінює у цих випадках свої значення стрибкоподібним чином. Він поступово збільшується при переході в рідину із газоподібного стану, а також у момент кристалізації рідини.
Існує і чимало виняткових випадків. Наприклад, кремній має при затвердінні невеликі значення щільності.
Вимірювання щільності речовини
При ефективному вимірі густини речовини зазвичай використовують спеціальне обладнання. Воно складається з:
- ваг;
- вимірювального приладу у вигляді лінійки;
- мірної колби.
Якщо досліджувана речовина знаходиться у твердому стані, то як вимірювальний прилад використовують мірку у вигляді сантиметра. Якщо досліджувана речовина знаходиться у рідкому агрегатному стані, то при вимірах використовують мірну колбу.
Спочатку слід виміряти об'єм тіла за допомогою сантиметра або мірної колби. Дослідник спостерігає за шкалою вимірювань і фіксує результат, що вийшов. Якщо досліджується дерев'яний брус кубічної форми, то щільність дорівнюватиме значення сторони, зведену в третій ступінь. При дослідженні рідини необхідно додатково враховувати масу судини, за допомогою якої проводяться виміри. Отримані значення необхідно підставити в універсальну формулу за густиною речовини і розрахувати показник.
Для газів розрахунок показника відбувається дуже складно, оскільки необхідно користуватись різними вимірювальними приладами.
Зазвичай до розрахунку щільності речовин використовують ареометр. Він призначений для одержання результатів у рідин. Справжню густину вивчають за допомогою пікнометра. Ґрунти досліджують за допомогою бурів Качинського та Зайдельмана.