Po zapoznaniu się studentów z pojęciem masy i objętości substancji w fizyce, studiują ważną cechę każdego ciała, zwaną gęstością. Poniższy artykuł poświęcony jest tej wartości. Pytania o fizyczne znaczenie gęstości ujawniono poniżej. Podano również wzór na gęstość. Opisano metody jego eksperymentalnego pomiaru.
Pojęcie gęstości
Zacznijmy artykuł od bezpośredniego zapisu wzoru na gęstość materii. Wygląda to tak:
ρ=m / V.
Tutaj m jest masą rozważanego ciała. Wyrażana jest w układzie SI w kilogramach. W zadaniach i w praktyce można również znaleźć inne jednostki jego miary, na przykład gramy lub tony.
Symbol V we wzorze oznacza objętość charakteryzującą parametry geometryczne ciała. Jest mierzony w SI w metrach sześciennych, jednak używa się również kilometrów sześciennych, litrów, mililitrów itp.
Wzór na gęstość pokazuje, jaka masa substancji jest zawarta w jednostcetom. Korzystając z wartości ρ, można oszacować, które z dwóch ciał będzie miało większą wagę przy równych objętościach lub które z dwóch ciał będzie miało większą objętość przy równych masach. Na przykład drewno jest mniej gęste niż żelazo. Dlatego przy równych ilościach tych substancji masa żelaza znacznie przekroczy tę samą wartość dla drzewa.
Pojęcie gęstości względnej
Sama nazwa tej wielkości wskazuje, że badana wartość dla jednego ciała będzie rozpatrywana w odniesieniu do podobnej cechy dla innego. Wzór na gęstość względną ρr wygląda następująco:
ρr=ρs / ρ0.
Gdzie ρs jest gęstością mierzonego materiału, ρ0 jest gęstością, względem której wartość ρ r jest mierzony . Oczywiście ρr jest bezwymiarowe. Pokazuje, ile razy mierzona substancja jest gęstsza niż wybrany standard.
Dla cieczy i ciał stałych, jako standard ρ0 wybierz tę wartość dla wody destylowanej o temperaturze 4 oC. W tej temperaturze woda ma gęstość maksymalną, która jest wartością wygodną do obliczeń - 1000 kg/m3 lub 1 kg/l.
W przypadku systemów gazowych standardowo stosuje się gęstość powietrza przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze 0 oC.
Zależność gęstości od ciśnienia i temperatury
Badana wartość nie jest stała dla konkretnego ciała,jeśli zmienisz jego temperaturę lub ciśnienie zewnętrzne. Jednak ciecze i ciała stałe są w wielu sytuacjach nieściśliwe, co oznacza, że ich gęstość pozostaje stała zarówno przy zmianach ciśnienia, jak i temperatury.
Wpływ ciśnienia objawia się następująco: wraz ze wzrostem zmniejsza się średnia odległość międzyatomowa i międzycząsteczkowa, co zwiększa liczbę moli substancji na jednostkę objętości. Więc gęstość rośnie. Wyraźny wpływ ciśnienia na badaną charakterystykę obserwuje się w przypadku gazów.
Temperatura ma odwrotny wpływ na ciśnienie. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia kinetyczna cząstek materii, zaczynają się one bardziej aktywnie poruszać, co prowadzi do wzrostu średnich odległości między nimi. Ten ostatni fakt prowadzi do zmniejszenia gęstości.
Ponownie efekt ten jest bardziej wyraźny w przypadku gazów niż w przypadku cieczy i ciał stałych. Od tej reguły jest wyjątek – to woda. Doświadczalnie ustalono, że w zakresie temperatur 0-4 oС jego gęstość wzrasta wraz z ogrzewaniem.
Ciała jednorodne i niejednorodne
Wpisany powyżej wzór na gęstość odpowiada tak zwanej średniej ρ dla rozważanego ciała. Jeśli przydzielimy w nim niewielką objętość, to obliczona wartość ρi może znacznie różnić się od poprzedniej wartości. Fakt ten związany jest z występowaniem nierównomiernego rozkładu masy w objętości. W tym przypadku gęstośćρi nazywa się lokalnie.
Rozważając problem nierównomiernego rozmieszczenia materii, interesujące wydaje się wyjaśnienie jednego punktu. Kiedy zaczynamy rozważać objętość elementarną zbliżoną do skali atomowej, dochodzi do naruszenia koncepcji ciągłości ośrodka, co oznacza, że nie ma sensu posługiwać się charakterystyką gęstości lokalnej. Wiadomo, że prawie cała masa atomu jest skoncentrowana w jego jądrze, którego promień wynosi około 10-13 metrów. Gęstość jądra szacowana jest na ogromną liczbę. To jest 2, 31017 kg/m3.
Pomiar gęstości
Powyżej pokazano, że zgodnie ze wzorem gęstość jest równa stosunkowi masy do objętości. Fakt ten pozwala nam określić określoną charakterystykę, po prostu ważąc ciało i mierząc jego parametry geometryczne.
Jeśli kształt ciała jest bardzo złożony, uniwersalną metodą wyznaczania gęstości będzie ważenie hydrostatyczne. Opiera się na wykorzystaniu siły Archimedesa. Istota metody jest prosta. Ciało najpierw waży się w powietrzu, a następnie w wodzie. Różnica masy jest używana do obliczenia nieznanej gęstości. Aby to zrobić, użyj następującego wzoru:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
gdzie P0, Pl - masa ciała w powietrzu i cieczy. W związku z tym ρl jest gęstością cieczy.
Metoda ważenia hydrostatycznego do wyznaczania gęstości, zgodnie z legendą, została po raz pierwszy zastosowana przez filozofa z SyrakuzArchimedesa. Był w stanie, bez naruszania fizycznej integralności korony, stwierdzić, że do jej wytworzenia użyto nie tylko złota, ale także innych mniej gęstych metali.
