Плотность (Density), Ро

Содержание

1. Определение

2. Виды плотности и единицы измерения

3. Формула нахождения плотности

4. Зависимость плотности от температуры

5. Плотности некоторых веществ

- Плотности некоторых газов

- Плотность некоторых пород древесины

- Плотность металлов

- Плотность сплавов

6. Измерение плотности

- пикнометр

- ареометр

- бурик (бор) Качинского

- Бурав Зайдельмана

7. Удельный вес

1. Определение

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

Азот 1,250 

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 

Неон 0,900

Воздух 1,293 

Углекислый газ 1,977

Хлор 3,214 

Гелий 0,178

Этен 1,260

- Плотность некоторых пород древесины

Плотность древесины ,г/см³

Бальса 0.15 

Пихта сибирская 0.39

Секвойя вечнозелёная 0.41 

Ель 0.45

Ива 0.46 

Ольха 0.49

Осина 0.51 

Сосна 0.52

Липа 0.53 

Конский каштан 0.56

Каштан съедобный 0.59 

Кипарис 0,60

Черёмуха 0.61 

Лещина 0.63

Грецкий орех 0.64 

Берёза 0.65

Вишня 0.66 

Вяз гладкий 0.66

Лиственница 0.66 

Клён полевой 0.67

Тиковое дерево 0.67 

Бук 0.68

Груша 0.69 

Дуб 0.69

Свитения (Махагони) 0.70 

Платан 0.70

Жостер (крушина) 0.71 

Тисс 0.75

Ясень 0.75 

Слива 0.80

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

Уран 19.04

Хром 7.18

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

6. Измерение плотности

Для измерения плотности используются:

- пикнометр — прибор для измерения истинной плотности

- ареометр (денсиметр, плотномер) — измеритель плотности жидкостей.

- бурик Качинского и бурав Зайдельмана — приборы для измерения плотности почвы.

- пикнометр

Пикнометр — физикохимический прибор, стеклянный сосуд специальной формы и определённой вместимости, применяемый для измерения плотности веществ, в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Пикнометр был изобретён Менделеевым Дмитрием Ивановичем в 1859 году.

Измерение плотности пикнометром основано на взвешивании находящегося в нём вещества (обычно в жидком состоянии), заполняющего пикнометр до метки на горловине или до верхнего края капилляра, что соответствует номинальной вместимости пикнометра. Измерения объёма значительно упрощаются, если вместо одной метки у пикнометра имеется шкала. Очень удобен в работе пикнометр с боковой капиллярной трубкой, у которой пробкой служит тело термометра. Плотность твёрдых тел определяют, погружая их в пикнометр с жидкостью. Для измерения плотности газов применяют пикнометр специальной формы (шаровидные и др.).

Основные достоинства пикнометрического метода определения плотности:

- высокая точность измерений (до 10^-5 г/см3);

- возможность использования малых количеств вещества (0,5—100 см3);

- малая площадь свободной поверхности жидкости в пикнометре, что практически исключает испарение жидкости и поглощение влаги из воздуха;

- раздельное проведение операций термостатирования и последующего взвешивания.

В Российской Федерации виды и характеристики пикнометров регулируются следующими стандартами:

- ГОСТ 7465-67. Пикнометры стеклянные;

- ГОСТ 11723-66. Пикнометры для определения плотности газа.

-ареометр

Ареометр — прибор для измерения плотности жидкости.

Обычно представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой при калибровке заполняется дробью или ртутью для достижения необходимой массы. В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности. Так как плотность жидкостей сильно зависит от температуры, ареометр иногда снабжают термометром для одновременного измерения температуры.

Для измерения плотности жидкости сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нем. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска.

Считается, что ареометр изобрела Гипатия - женщина-ученый, математик, астроном и философ, схоларх Александрийской школы неоплатонизма.

Ареометр в физике так называется прибор, который служит для определения плотности, а, следовательно, и удельного веса тел. Устройство ареометра основано на гидростатическом законе (Архимедов закон), по которому каждое тело плавает в жидкости столь глубоко погруженным в нее, что вес вытесненной им жидкости равен весу всего плавающего тела.

1) Если желательно, чтобы одно и то же тело, плавая в жидкостях различной плотности, было погружено на определенную глубину до известной точки, то приходится для этой цели искусственно изменять его вес, соразмерно изменению плотности жидкости: если плотность жидкости стала больше, вес тела нужно увеличить, положив на него соответственный груз.

2) Если оставить вес погружаемого тела постоянным и погружать его в жидкости различной плотности, то очевидно, на основании вышеуказанного гидростатического закона, оно тем глубже будет погружаться в жидкость, чем плотность ее будет меньше.

Для устройства ареометра воспользовались этими свойствами плавающих в жидкостях тел и, смотря по тому, на основании которого из этих двух высказанных положений устроен прибор, различают:

1) ареометр весовой или гравиметр (с постоянным объемом), и

2) ареометр со шкалой (с постоянным весом). 

Весовые ареометры устроены на основании первого из указанных выше положений. Эти приборы приготовляются главным образом из металла или из стекла, в виде полых тел. Форма их бывает разнообразна, смотря по тому, какой они системы: Фаренгейта, Траллеса Никольсона и др. Они всегда снабжены чашечкой, на которую можно класть гири и небольшие тела, которых плотность приходится определять.

Никольсоновский весовой ареометр состоит из полого металлического, конически законченного, цилиндра, к которому подвешен массивный металлический конус или полушарие плоским основанием вверх, так что туда можно положить исследуемое тело. Вверху прибор снабжен тонким металлическим стержнем, с прикрепленной к нему тарелочкой ареометра, предназначенной для принятия груза и небольшого твердого исследуемого тела. С помощью такого весового ареометра можно определить как абсолютный вес твердого тела, так и его плотность, равно как и плотность различных жидкостей. Эти приборы крайне компактны и удобны для путешествующих минералогов, служа для определения плотности найденных ими минералов.

Весовой ареометр употребляется главным образом для определения удельного веса твердых тел; для этого небольшой кусок исследуемого тела кладут сперва на верхнюю тарелочку прибора и, прибавляя разновески, доводят его до черты (марки) на стержне ареометра, до которой прибор погружается в воде при известном грузе на тарелочке. Вычтя из веса гирь, нужного для погружения ареометра до черты без твердого тела, вес гирь, прибавленных к положенному на тарелочку телу, определяют вес исследуемого тела. Затем данное тело кладут на основание подвешенного конуса (иногда для этого там устраивают металлическую корзинку), погружают ареометр в воду и, кладя гирьки, заставляют ареометр погрузиться до черты. Небольшой расчет, основанный на Архимедовом законе, дает искомую плотность, а следовательно и удельный вес данного тела. При определении плотности жидкостей с помощью весового ареометра должен быть принять в расчет также абсолютный вес ареометра.

Для определения плотности и удельного веса жидкостей, как например, растворов солей, кислот и т.п., употребляются в химических лабораториях и в технике весы Мора и, более чувствительные и точные, весы Вестфаля, основанные на принципе весового ареометра.

Весы Вестфаля, которые являются незаменимыми в нынешней лабораторной практике, как по своей чувствительности и точности результатов, так и по простоте устройства и метода определения, представляют собой весы с коромыслом, к одному концу которого подвешен стеклянный тяжелый поплавок или, как его назвали немцы, "стеклянное тело"; на другом же конце находится противовес, уравновешивающий "стеклянное тело". При погружении стеклянного тела в исследуемую жидкость, оно будет терять часть своего веса, равную весу вытесненной им жидкости, равновесие весов нарушится. Навешивая грузики различной величины, специально калибрированные и приспособленные для этой цели и отнесенные к плотности воды = 1, на разные деления коромысла (как на обыкновенных химических весах), весы опять можно привести в состояние равновесия. Соответственная величина и место груза на коромысле, после поправки на воздух и температуру, даст искомую плотность и удельный вес жидкости. Для наблюдения температуры жидкости, имеющей влияние на плотность, на стеклянном теле устроен маленький термометр. Вестфалевcкие весы калибрированы при 15° С. и обыкновенно жидкость приводят к этой температуре.

Ареометр со шкалой (постоянного веса) состоит из стеклянного полого тела, к которому прикреплена шейка из стеклянной трубки со шкалой, внизу же ареометра помещается шарик, наполненный ртутью или дробью. Деление на градусы шейки крайне разнообразно. В этом отношении ареометры со шкалой носят разные названия: волюметра, плотностимера, процентного ареометра и ареометра с произвольной шкалой.

Между первыми одним из лучших считается прибор Гэ-Люссака, со шкалой из 100 делений. Ареометры, шкала которых допускает прямое отсчитывание плотности жидкости, называются плотностимерами или определителями плотности; изготовление их крайне затруднительно. В практической жизни чаще всего употребляются процентные ареометры, которые дают определение плотности, но процентного отношения смеси жидкостей или растворов в объемных или весовых %. Сюда относятся спиртомеры (алкоголометры), служащие для определения количества спирта в воде. Шкала этих ареометров устраивается по способу и указаниям Траллеса или Гэ-Люссака; по ней можно непосредственно отсчитывать, сколько объемных процентов спирта находится в исследуемой жидкости. В Российской Федерации, германии и Австрии содержание спирта в водке, обложенной акцизным налогом, производится по Траллесу, во Франции по Гэ-Люссаку.

К ареометрам, подобного же рода, можно причислить следующие приборы, требующие впрочем еще значительных усовершенствований: энометр (винные весы), солемер - прибор для определения содержания поваренной соли в рассоле, глеукометр или ареометр для виноградного сусла, сахаромер (сахарометр) - для определения содержания сахара в жидкости, лактометр - ареометр для молока, ареометр для растворов солей: селитры, поташа, едких щелочей и др.

Каждый из этих ареометров годен только для одной той жидкости, для которой он предназначен. Так например, солемер не годится для сахарных растворов, и спиртомер может быть применяем только для смесей воды со спиртом. Так как температура влияет на изменение плотности исследуемой жидкости, то необходима поправка, которую делают по особым, для этой цели вычисленным, таблицам.

- бурик (буравчик) Качинского

Техническое средство, предназначенное для измерения плотности почвы, точнее отбора из неё образцов строго заданного объёма. Особенно активно и часто используется в исследованиях физики почв.

Метод предложен Никодимом Антоновичем Качинским, в честь которого и назван.

Набор Качинского состоит из киянки, болванки особой формы (Предназначена для правки бюксов), оправки для забивания бурика, мастерка и ножа для вырезания образца и специальных бюксов.

Специальный бюкс, предложеный Никодимом Антоновичем Качинским, в честь которого и назван. Отличается от других бюксов совершенно точно пригнанными размерами. Применяется вместе с буриком Качинского. Бюксы специально разработаны таким образом, чтобы в них с минимальным зазором входил Бурик Качинского. При отборе образцов песчаных и других рыхлосвязанных почв бурик Качинского закрывается крышкой от бюкса Качинского, таким образом исключается высыпание почвы.

Как уже описано выше, бурик забивается в почву при помощи киянки через специальную оправку. Оправка устроена так, чтобы не допустить уплотнения почвы внутри бурика. При забивании бурика глубже нормы оправка упирается в почву вокруг бурика. Затем бурик вместе с почвенным образцом вырезается из почвы и обрезается, будучи накрыт крышкой от бюкса Качинского. После этого содержимое бурика переносится в бюкс Качинского.

Объём образца чётко задан конструкцией бурика и методикой, масса рассчитывается по марже веса. Таким образом мы можем рассчитать плотность (объёмный вес) почвы

- Бор Зайдельмана

Бор Зайдельмана был предложен российским учёным Ф. Р. Зайдельманом специально для определения плотности (объёмного веса) торфяной почвы. Из-за специфики торфяных залежей Бурик Качинского был модифицирован — к нему была приварена ручка и заточеная нижняя кромка заменена зубчатой пилообразной.

7. Удельный вес

Удельный вес определяется как отношение веса вещества P к занимаемому им объёму V, то есть, удельный вес равен:

Удельный вес вещества измеряется в н/м³ в международной системе единиц СИ; в дин/см³ в системе СГС; в кгс/м³ в системе МКГСС.

Иногда его путают с плотностью, так как в используемой ранее системе единиц они часто численно совпадали.

Удельный вес может быть определён также по формуле γ = ρg,

где ρ — плотность вещества,

g — ускорение свободного падения.

В отличие от плотности удельный вес не является физико-химической характеристикой вещества, так как зависит от значения g в месте измерений.

Источники

Измерение массы, объёма и плотности, М., 1972

ГОСТ 7465—67. Пикнометры стеклянные;

ГОСТ 11723—66. Пикнометры для определения плотности газа.

Ареометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). Санкт-Петербург: 1890—1907.

Ареометръ и разные виды его // физика 1831 г. изд.

Большая советская энциклопедия

Физическая энциклопедия под. ред. А.М. Прохорова. Москва. Научное издательство «Большая российская энциклопедия», 1992 г. Т.3, стр.637.

Опубликовано на forexAW.com: Вторник, 20 Октябрь, 2009 года — 20:56.

Последнее редактирование: Среда, 23 Май, 2012 года — 22:04.