| Плотность | |
|---|---|
 |
|
| Размерность | L−3 M |
| Единицы измерения | |
| СИ | кг/м³ |
| СГС | г/см³ |
| Примечания | |
| скалярная величина |
Пло́тность — скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму или как производная массы по объёму:
.
Данные выражения не эквивалентны, и выбор зависит от того, какая именно плотность рассматривается. Различаются:
Для точечной массы плотность является бесконечной. Математически её можно определить или как меру, или как производную Радона — Никодима по отношению к некоторой опорной мере.
Для обозначения плотности обычно используется греческая буква 
(ро) (происхождение обозначения подлежит уточнению), иногда используются латинские буквы D и d (от лат. densitas «плотность»). Исходя из определения плотности, её размерность представляет собой кг/м³ в СИ и г/см³ в системе СГС.
Понятие «плотность» в физике может иметь более широкую трактовку. Существуют поверхностная плотность (отношение массы к площади) и линейная плотность (отношение массы к длине), применяемые соответственно к плоским (двумерным) и вытянутым (одномерным) объектам. Кроме того, говорят не только о плотности массы, но и о плотности других величин, например энергии, электрического заряда. В таких случаях к термину «плотность» добавляются конкретизирующие слова, скажем «линейная плотность заряда». «По умолчанию» под плотностью понимается вышеуказанная (трёхмерная, кг/м³) плотность массы.
Формула нахождения плотности[править | править код]
Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) находится по формуле:
где M — масса тела, V — его объём;
формула является просто математической записью определения термина «плотность», данного выше.
При вычислении плотности газов при стандартных условиях эта формула может быть записана и в виде:
где 
— молярная масса газа, 
— молярный объём (при стандартных условиях приближённо равен 22,4 л/моль).
Плотность тела в точке записывается как
тогда масса неоднородного тела (тела с плотностью, зависящей от координат) рассчитывается как
Случай сыпучих и пористых тел[править | править код]
В случае сыпучих и пористых тел различают
- истинную плотность, определяемую без учёта пустот;
- насыпную плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму.
Истинную плотность из насыпной (кажущейся) получают с помощью величины коэффициента пористости — доли объёма пустот в занимаемом объёме.
Зависимость плотности от температуры[править | править код]
Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность в определённом диапазоне температур ведёт 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 относительно этого значения.
При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, висмут и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, так как их плотность при затвердевании уменьшается.
Диапазон плотностей в природе[править | править код]
Для различных природных объектов плотность меняется в очень широком диапазоне.
- Самую низкую плотность имеет межгалактическая среда (2·10−31—5·10−31 кг/м³, без учёта тёмной материи)[2].
- Плотность межзвёздной среды приблизительно равна 10−23—10−21 кг/м³.
- Средняя плотность красных гигантов в пределах их фотосфер много меньше, чем у Солнца — из-за того, что их радиус в сотни раз больше при сравнимой массе.
- Плотность газообразного водорода (самого лёгкого газа) при стандартных условиях равна 0,0899 кг/м³.
- Плотность сухого воздуха при стандартных условиях составляет 1,293 кг/м³.
- Один из самых тяжёлых газов, гексафторид вольфрама, примерно в 10 раз тяжелее воздуха (12,9 кг/м³ при +20 °C)
- Жидкий водород при атмосферном давлении и температуре −253 °C имеет плотность 70 кг/м³.
- Плотность жидкого гелия при атмосферном давлении равна 130 кг/м³.
- Усреднённая плотность тела человека от 940—990 кг/м³ при полном вдохе, до 1010—1070 кг/м³ при полном выдохе.
- Плотность пресной воды при 4 °C 1000 кг/м³.
- Средняя плотность Солнца в пределах фотосферы около 1410 кг/м³, примерно в 1,4 раза выше плотности воды.
- Гранит имеет плотность 2600 кг/м³.
- Средняя плотность Земли равна 5520 кг/м³.
- Плотность железа равна 7874 кг/м³.
- Плотность металлического урана 19100 кг/м³.
- Плотность золота 19320 кг/м³.
- Плотность нептуния — самого плотного актиноида — 20200 кг/м³.
- Самые плотные вещества при стандартных условиях — металлы платиновой группы шестого периода (осмий, иридий, платина), а также рений. Имеют плотность 21000—22700 кг/м³.
- Плотность атомных ядер приблизительно 2·1017 кг/м³.
- Теоретически верхняя граница плотности по современным[когда?] физическим представлениям — это планковская плотность 5,1⋅1096 кг/м³.
Плотности астрономических объектов[править | править код]
Средняя плотность небесных тел Солнечной
системы (в г/см³)[3][4][5]
- Средние плотности небесных тел Солнечной системы см. на врезке.
- Межпланетная среда в Солнечной системе достаточно неоднородна и может меняться во времени, её плотность в окрестностях Земли ~10−21÷10−20 кг/м³.
- Плотность межзвёздной среды ~10−23÷10−21 кг/м³.
- Плотность межгалактической среды 2×10−34÷5×10−34 кг/м³.
- Средняя плотность красных гигантов на много порядков меньше чем у Солнца из-за того, что их радиус в сотни раз больше.
- Плотность белых карликов 108÷1012 кг/м³
- Плотность нейтронных звёзд имеет порядок 1017÷1018 кг/м³.
- Средняя (по объёму под горизонтом событий) плотность чёрной дыры зависит от её массы и выражается формулой:
- Средняя плотность падает обратно пропорционально квадрату массы чёрной дыры (ρ~M−2). Так, если чёрная дыра с массой порядка солнечной обладает плотностью около 1019 кг/м³, превышающей ядерную плотность (2×1017 кг/м³), то сверхмассивная чёрная дыра с массой в 109 солнечных масс (существование таких чёрных дыр предполагается в квазарах) обладает средней плотностью около 20 кг/м³, что существенно меньше плотности воды (1000 кг/м³).
Плотности некоторых газов[править | править код]
| 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 °C) | 0,598 | Неон | 0,900 |
| Воздух | 1,293 | Радон | 9,81 |
| Гексафторид вольфрама | 12,9 | Углекислый газ | 1,977 |
| Гелий | 0,178 | Хлор | 3,164 |
| Дициан | 2,38 | Этилен | 1,260 |
Для вычисления плотности произвольного идеального газа, находящегося в произвольных условиях, можно использовать формулу, выводящуюся из уравнения состояния идеального газа:[6]
- ,
где:
Плотности некоторых жидкостей[править | править код]
| Бензин | 710 | Молоко | 1040 |
| Вода (4 °C) | 1000 | Ртуть (0 °C) | 13600 |
| Керосин | 820 | Диэтиловый эфир | 714 |
| Глицерин | 1260 | Этанол | 789 |
| Морская вода | 1030 | Скипидар | 860 |
| Масло оливковое | 920 | Ацетон | 792 |
| Масло моторное | 910 | Серная кислота | 1835 |
| Нефть | 550—1050 | Жидкий водород (−253 °C) | 70 |
Плотность некоторых пород древесины[править | править код]
| 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 | Тис | 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 | Эбеновое дерево | 1,08 |
| Квебрахо | 1,21 | Бакаут | 1,28 |
| Пробка | 0,20 |
Плотность некоторых металлов[править | править код]
Значения плотности металлов могут изменяться в весьма широких пределах: от наименьшего значения у лития, который легче воды, до наибольшего значения у осмия, который тяжелее золота и платины.
| Осмий | 22610[7] | Родий | 12410[8] | Хром | 7190[9] |
| Иридий | 22560[10] | Палладий | 12020[11] | Германий | 5320[12] |
| Плутоний | 19840[13] | Свинец | 11350[14] | Алюминий | 2700[15] |
| Платина | 19590[16] | Серебро | 10500[17] | Бериллий | 1850[18] |
| Золото | 19300[14] | Никель | 8910[19] | Рубидий | 1530[20] |
| Уран | 19050[21] | Кобальт | 8860[22] | Натрий | 970[23] |
| Тантал | 16650[24] | Медь | 8940[25] | Цезий | 1840[26] |
| Ртуть | 13530[27] | Железо | 7870[28] | Калий | 860[29] |
| Рутений | 12450[30] | Марганец | 7440[31] | Литий | 530[32] |
Измерение плотности[править | править код]
Для измерений плотности используются:
- Пикнометр — прибор для измерения истинной плотности
- Различные виды ареометров — измерители плотности жидкостей.
- Бурик Качинского и бур Зайдельмана — приборы для измерения плотности почвы.
- Вибрационный плотномер — прибор для измерения плотности жидкости и газа под давлением.
- Метод гидростатического взвешивания.
Остеоденситометрия — процедура измерения плотности костной ткани человека.
См. также[править | править код]
Видеоурок: плотность вещества
- Список химических элементов с указанием их плотности
- Удельный вес
- Удельная плотность
- Относительная плотность
- Объёмная плотность
- Конденсация
- Консистенция (лат. consistere — состоять) — состояние вещества, степень мягкости или плотности (твёрдости) чего-либо — полутвердых-полумягких веществ (масел, мыла, красок, строительных растворов и т. д.); наприм., глицерин имеет сиропообразную консистенцию.
- Консистометр — прибор для измерения в условных физических единицах консистенции различных коллоидных и желеобразных веществ, а также суспензий и грубодисперсных сред, к примеру, паст, линиментов, гелей, кремов, мазей.
- Концентрация частиц
- Концентрация растворов
- Плотность заряда
- Уравнение неразрывности
Примечания[править | править код]
- ↑ Подразумевается также, что область стягивается к точке, то есть, не только её объём стремится к нулю (что могло бы быть не только при стягивании области к точке, но, например, к отрезку), но также стремится к нулю и её диаметр (максимальный линейный размер).
- ↑ Агекян Т. А. . Расширение Вселенной. Модель Вселенной // Звёзды, галактики, Метагалактика. 3-е изд. / Под ред. А. Б. Васильева. — М.: Наука, 1982. — 416 с. — С. 249.
- ↑ Planetary Fact Sheet Архивировано 14 марта 2016 года. (англ.)
- ↑ Sun Fact Sheet Архивная копия от 15 июля 2010 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ Stern, S. A., et al. The Pluto system: Initial results from its exploration by New Horizons (англ.) // Science : journal. — 2015. — Vol. 350, no. 6258. — P. 249—352. — doi:10.1126/science.aad1815.
- ↑ МЕХАНИКА. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. Учебно-методическое пособие к лабораторным работам № 1-51, 1-61, 1-71, 1-72. Санкт-Петербургский Государственный Технологический Университет Растительных Полимеров (2014). Дата обращения: 4 января 2019. Архивировано 23 ноября 2018 года.
- ↑ Krebs, 2006, p. 158.
- ↑ Krebs, 2006, p. 136.
- ↑ Krebs, 2006, p. 96.
- ↑ Krebs, 2006, p. 160.
- ↑ Krebs, 2006, p. 138.
- ↑ Krebs, 2006, p. 198.
- ↑ Krebs, 2006, p. 319.
- ↑ 1 2 Krebs, 2006, p. 165.
- ↑ Krebs, 2006, p. 179.
- ↑ Krebs, 2006, p. 163.
- ↑ Krebs, 2006, p. 141.
- ↑ Krebs, 2006, p. 67.
- ↑ Krebs, 2006, p. 108.
- ↑ Krebs, 2006, p. 57.
- ↑ Krebs, 2006, p. 313.
- ↑ Krebs, 2006, p. 105.
- ↑ Krebs, 2006, p. 50.
- ↑ Krebs, 2006, p. 151.
- ↑ Krebs, 2006, p. 111.
- ↑ Krebs, 2006, p. 60.
- ↑ Krebs, 2006, p. 168.
- ↑ Krebs, 2006, p. 101.
- ↑ Krebs, 2006, p. 54.
- ↑ Krebs, 2006, p. 134.
- ↑ Krebs, 2006, p. 98.
- ↑ Krebs, 2006, p. 47.
Литература[править | править код]
- Плотность — статья из Большой советской энциклопедии. — М.: «Советская Энциклопедия», 1975. — Т. 20. — С. 49.
- Плотность — статья из Физической энциклопедии. Т. 3, С. 637.
- Krebs R. E. . The History and Use of Our Earth’s Chemical Elements: A Reference Guide. 2nd edition. — Westport: Greenwood Publishing Group, 2006. — xxv + 422 p. — ISBN 0-313-33438-2.
Ссылки[править | править код]
- Онлайн интерактивная таблица плотности веществ Архивная копия от 29 апреля 2011 на Wayback Machine (рус.)
- Подробная таблица значений плотности распространенных жидкостей Архивная копия от 5 октября 2016 на Wayback Machine (рус.)
- Урок по теме “Плотность вещества” Архивная копия от 30 января 2022 на Wayback Machine
Любое физическое тело имеет некоторую массу. Определить массу тела можно с помощью весов — путем взвешивания. А также и более сложным способом — при взаимодействии двух тел, зная их скорости, и массу одного из них. Согласитесь, что первый способ — более легкий и практичный.
Тела имеют разные характеристики: разные размеры и формы, разные материалы, разные состояния и структуру (жидкие, твердые и газообразные), разные массы.
Сегодня мы познакомимся с такой характеристикой как плотность. Она покажет и объяснит нам, как может различаться масса тел одинаковой формы и размера.
Связь массы, объема и вещества, из которого состоит тело
Рассмотрим опыт, представленный на рисунке 1.
Возьмем два одинаковых цилиндра: они одинаковой формы и объема, но изготовлены из разных материалов.
Один сделан из алюминия, а другой из свинца. Поместим их на разные чаши весов.
В итоге, мы увидим, что масса цилиндра из алюминия будет почти в 4 раза меньше массы цилиндра из свинца.
Тела, имеющие равные объемы, но состоящие из разных веществ, имеют разные массы.
На рисунке изображены 2 тела массой $100 space г$: лед, железо и золото.
Здесь представлены тела одинаковой массы, но взгляните на их объем. Объем льда будет почти в 8,5 раз больше объема куска железа той же массы. А объем золота будет почти в 3 раза меньше объема железа.
Тела с равными массами, но состоящие из разных веществ, имеют разные объемы.
Определение плотности вещества
Вышерассмотренные свойства веществ, из которых состоят тела, объясняется тем, что разные вещества имеют разную плотность.
Рассмотрим два тела объемом $1 space м^3$ каждое. Если они будут состоять из разных веществ, то их массы тоже будут разными.
Итак, алюминий такого объема будет иметь массу 2700 кг, а свинец такого же объема ( $1 space м^3$) будет имеет массу 11 300 кг.
На рисунке 3 приведены другие примеры тел равного объема, но состоящих из разных веществ.
Плотность показывает, чему равна масса вещества, взятого в объеме $1 space м^3$ (или $1 space см^3$). Чтобы найти плотность вещества, нужно массу тела разделить на его объем.
По какой формуле можно рассчитать плотность вещества? Дадим определение.
Плотность — это физическая величина, которая равна отношению массы тела к его объему:
$плотность = frac{масса}{объем}$
или
$rho = frac{m}{V}$,
где $rho$ (“ро”) — плотность вещества, $m$ — масса тела, $V$ — объем тела.
Единицы измерения плотности
Какова единица плотности в СИ?
В СИ плотность вещества измеряется в килограммах на кубический метр ($1 frac{кг}{м^3}$).
Какие еще единицы плотности вам известны?
Часто используется другая единица измерения — граммы на кубический сантиметр ($1 frac{г}{см^3}$) (рисунок 4).
Иногда нам потребуется переводить плотность веществ, выраженную в $frac{кг}{м^3}$ в $ frac{г}{см^3}$.
Давайте выразим плотность мрамора ($2700 frac{кг}{м^3}$) в $frac{г}{см^3}$:
$$rho = 2700 cdot frac{1 space кг}{1 space м^3} = 2700 cdot frac{1000 space г}{1 space 000 space 000 space см^3} = frac{2700}{1000} cdot frac{г}{см^3} = 2.7 frac{г}{см^3}$$
Таблицы плотности некоторых тел и веществ
Плотность одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях различна.
Например, плотность воды составляет $1000 frac{кг}{м^3}$, льда — $900 frac{кг}{м^3}$, водяного пара — $0.590 frac{кг}{м^3}$ (рисунок 5).
Плотности различных твердых тел
| Твердое тело | $rho, frac{кг}{м^3}$ | $rho, frac{г}{см^3}$ | Твердое тело | $rho, frac{кг}{м^3}$ | $rho, frac{г}{см^3}$ |
|---|---|---|---|---|---|
| Осмий | 22 600 | 22,6 | Мрамор | 2700 | 2,7 |
| Иридий | 22 400 | 22,4 | Стекло | 2500 | 2,5 |
| Платина | 21 500 | 21,5 | Фарфор | 2300 | 2,3 |
| Золото | 19 300 | 19,3 | Бетон | 2300 | 2,3 |
| Свинец | 11 300 | 11,3 | Кирпич | 1800 | 1,8 |
| Серебро | 10 500 | 10,5 | Сахар | 1600 | 1,6 |
| Медь | 8900 | 8,9 | Оргстекло | 1200 | 1,2 |
| Латунь | 8500 | 8,5 | Капрон | 1100 | 1,1 |
| Сталь, железо | 7800 | 7,8 | Полиэтилен | 920 | 0,92 |
| Олово | 7300 | 7,3 | Парафин | 900 | 0,90 |
| Цинк | 7100 | 7,1 | Лед | 900 | 0,90 |
| Чугун | 7000 | 7,0 | Дуб сухой | 700 | 0,70 |
| Корунд | 4000 | 4,0 | Сосна сухая | 400 | 0,40 |
| Алюминий | 2700 | 2,7 | Пробка | 240 | 0,24 |
Плотности различных жидкостей
| Жидкость | $rho, frac{кг}{м^3}$ | $rho, frac{г}{см^3}$ | Жидкость | $rho, frac{кг}{м^3}$ | $rho, frac{г}{см^3}$ |
|---|---|---|---|---|---|
| Ртуть | 13 600 | 13,60 | Керосин | 800 | 0,80 |
| Серная кислота | 1800 | 1,80 | Спирт | 800 | 0,80 |
| Мед | 1350 | 1,35 | Нефть | 800 | 0,80 |
| Вода морская | 1030 | 1,03 | Ацетон | 790 | 0,79 |
| Молоко цельное | 1030 | 1,03 | Эфир | 710 | 0,41 |
| Вода чистая | 1000 | 1,00 | Бензин | 710 | 0,71 |
| Масло подсолнечное | 930 | 0,93 | Жидкое олово (при $400^{circ}$) | 6800 | 6,80 |
| Масло машинное | 900 | 0,90 | Жидкий воздух (при $-194^{circ}$) | 860 | 0,86 |
Плотности различных газов
| Газ | $rho, frac{кг}{м^3}$ | $rho, frac{г}{см^3}$ | Газ | $rho, frac{кг}{м^3}$ | $rho, frac{г}{см^3}$ |
|---|---|---|---|---|---|
| Хлор | 3,210 | 0,00321 | Угарный газ | 1,250 | 0,00125 |
| Углекислый газ | 1,980 | 0,00198 | Природный газ | 0,800 | 0,0008 |
| Кислород | 1,430 | 0,00143 | Водяной пар (при $100^{circ}$) | 0,590 | 0,00059 |
| Воздух (при $0^{circ}C$ | 1,290 | 0,00129 | Гелий | 0,180 | 0,00018 |
| Азот | 1,250 | 0,00125 | Водород | 0,090 | 0,00009 |
Примеры задач на расчет плотности вещества
Задача №1
В таблице 1 указана плотность сахара — $1600 frac{кг}{м^3}$. Что это значит? Какой здесь физический смысл?
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
Значение плотности показывает нам, какое количество вещества (его масса) будет находиться в объеме $1 space м^3$. Итак, это означает, что масса сахара объемом $1 space м^3$ будет равна $1600 space кг$.
Задача №2
Канистра объемом 30 л наполнена бензином. Масса полной канистры составляет 21,3 кг. Рассчитайте плотность бензина.
Переведем литры в кубические метры ($1 space л = 0.001 space м^3$):
$30 cdot 0.001 = 0.03 space м^3$.
Дано:
$V = 30 space л$
$m = 21.3 space кг$
$rho -?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
По определению плотности:
$rho = frac{m}{V}$.
$rho = frac{21.3 space кг}{0.03 space м^3} = 710 frac{кг}{м^3}$.
Если мы сравним полученное значение с табличным, то получим подтверждение, что задача решена верно.
Ответ: $rho = 710 frac{кг}{м^3}$.
Задача №3
Деревянный брусок из березы имеет следующие размеры: длину 3 м, высоту 10 см, и ширину 50 см. Масса бруска составляет 75 кг. Найдите плотность березы.
Дано:
$а = 3 space м$
$b = 10 space см$
$c = 50 space см$
$m = 75 space кг$
$rho -?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Найдем объем бруска:
$V = a cdot b cdot c$,
$V = 3 space м cdot 0.1 space м cdot 0.5 space м = 0.15 space м^3$.
По определению плотности:
$rho = frac{m}{V}$.
$rho = frac{75 space кг}{0.15 space м^3} = 500 frac{кг}{м^3}$.
Ответ: $rho = 500 frac{кг}{м^3}$.
Больше задач с подробными решениями смотрите в отдельном уроке.
Упражнения
Упражнение №1
Плотность редкого металла осмия равна $22 space 600 frac{кг}{м^3}$. Что это означает?
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
Значение плотности показывает нам, какое количество вещества (его масса) будет находиться в объеме $1 space м^3$. Итак, это означает, что масса осмия объемом $1 space м^3$ будет равна $22 space 600 space кг$ или $22.6 space т$.
Упражнение №2
Пользуясь таблицами плотностей (таблицы 1, 2), определите, плотность какого вещества больше: цинка или серебра; бетона или мрамора; бензина или спирта.
Показать ответ
Скрыть
Плотность цинка составляет $7100 frac{кг}{м^3}$, а серебра — $10 space 500 frac{кг}{м^3}$. Получается, что плотность серебра больше плотности цинка.
Плотность бетона составляет $2300 frac{кг}{м^3}$, а мрамора — $2700 frac{кг}{м^3}$. Получается, что плотность мрамора больше плотности бетона.
Плотность бензина составляет $710 frac{кг}{м^3}$, а спирта — $800 frac{кг}{м^3}$. Получается, что плотность спирта больше плотности бензина.
Упражнение №3
Три кубика — из мрамора, льда и латуни — имеют одинаковый объем. Какой из них имеет большую массу, а какой — меньшую?
Показать ответ
Скрыть
Выразим массу из формулы плотности:
$rho = frac{m}{V}$,
$m = rho V$.
Объем кубиков у нас одинаковый. Значит, чем больше плотность вещества, из которого изготовлен кубик, тем больше его масса.
Плотность мрамора составляет $2700 frac{кг}{м^3}$, льда — $900 frac{кг}{м^3}$, а латуни — $8500 frac{кг}{м^3}$. У латуни наибольшая плотность, а у льда — наименьшая. Значит, кубик из латуни будет иметь наибольшую массу, а из льда — наименьшую.
Упражнение №4
Самое легкое дерево — бальза. Масса древесины этого дерева равна $12 space г$ при объеме в $100 space см^3$. Определите плотность древесины в $frac{г}{см^3}$ и $frac{кг}{м^3}$.
Дано:
$m = 12 space г$
$V = 100 space см^3$
$rho — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Мы не стали переводить единицы измерения в СИ. Сначала мы рассчитаем плотность этой древесины в $frac{г}{см^3}$, а затем переведем в $frac{кг}{м^3}$.
Рассчитаем плотность по известной нам формуле:
$rho = frac{m}{V}$,
$rho = frac{12 space г}{100 space см^3} = 0.12 frac{г}{см^3}$.
Теперь переведем полученное значение в $frac{кг}{м^3}$:
$rho = 0.12 frac{г}{см^3} = 0.12 frac{0.001 space кг}{0.01^3 space м^3} = 0.12 frac{10^{-3} space кг}{10^{-6} space м^3} = 0.12 cdot 10^3 frac{кг}{м^3} = 120 frac{кг}{м^3}$.
Ответ: $rho = 0.12 frac{г}{см^3} = 120 frac{кг}{м^3}$.
Упражнение №5
Кусочек сахара имеет размеры: $а = 2.5 space см$, $b = 1 space см$, $с = 0.7 space см$ (рис. 53). Его масса равна $0.32 space г$. Определите плотность сахара. Проверьте полученный результат по таблице 1.
Дано:
$а = 2.5 space см$
$b = 1 space см$
$с = 0.7 space см$
$m = 0.32 space г$
$rho — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Чтобы рассчитать плотность сахара, нужно знать его объем. Его мы можем вычислить перемножив друг на друга известные высоту, ширину и длину:
$V = a cdot b cdot c$.
Подставим в формулу плотности и рассчитаем ее:
$rho = frac{m}{V} = frac{m}{a cdot cdot b cdot c}$,
$rho = frac{0.32 space г}{2.5 space см cdot 1 space см cdot 0.7 space см} = frac{0.32 space г}{1.75 space см^3} approx 0.18 frac{г}{см^3}$.
Полученный результат не совпадает с табличным ($rho = 1.6 frac{г}{см^3}$). Расчеты произведены верно, значит ошибка или в условии задачи, или мы наблюдаем очень необычный сахар.
Ответ: $rho approx 0.18 frac{г}{см^3}$.
Задание
В вашем распоряжении имеются весы с разновесами, измерительный цилиндр с водой и металлический шарик на нити. Предложите, как определить плотность шарика.
Взвесим шарик, мы узнаем его массу. Чтобы определить его объем, мы можем использовать измерительный цилиндр с водой. Для этого нужно опустить шарик в воду, и посмотреть, до какого уровня теперь поднялась воды. Разность этого объема и первоначального объема жидкости будет равна объему шарику.
Зная его массу и объем, мы сможем рассчитать его плотность по формуле: $rho = frac{m}{V}$.
Окружающие тела состоят из веществ, масса каждого зависит от размера, объема и других критериев.
Плотность вещества показывает численное выражение массы тела в определенном объеме.
Существуют разные виды скалярной физической величины.
Общая характеристика
Каждый элемент занимает индивидуальную величину. Определение плотности может обозначаться греческой буквой ρ, D или d. Если объемы двух тел одинаковы, а массы различны, тогда плотности не идентичны.
Основные понятия
Определения и характеристики показателя известны с 7 класса школьной программы химии. Плотность представляет собой физическую величину о свойствах вещества. Это удельный вес любого элемента. Существует средняя и относительная плотность. Последняя классификация — это отношение плотности (П) вещества к П эталонного вещества. Часто за эталон принимают дистиллированную воду. Единица измерения П- кг/м3 в интернациональной системе.
Формула нахождения плотности:
P = m/V
Обозначения:
- m — масса.
- V — объем.
Кроме стандартной формулы плотности, применяемой для твердых состояний веществ, имеется формула для газообразных элементов в нормальных условиях.
ρ (газа) = M/Vm M
Расшифровка:
- М — молярная масса газа [г/моль].
- Vm — объем газа (в норме 22,4 л/моль).
Для сыпучих и пористых тел различают истинную плотность, вычисляемую без учета пустот, и удельную плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему объему. Истинную П получают через коэффициент пористости — доли объема пустот в занимаемом объеме. Для сыпучих тел удельная П называется насыпной.
Низкие показатели П имеет среда между Галактиками (1033 кг/м3).
Способы измерения:
- Пикнометр. Измеряет истинную П.
- Ареометр, денсиметр, плотномер. Используется для жидкого состояния.
- Бурик. Измеряет П почвы.
Вещества состоят из молекулярных структур, масса тела формируется из скопления молекул. Аналогично вес пакета с карамелью складывается из масс всех конфет в мешке. Если все сладости одинаковые, то массу упаковки определяют умножением веса одной конфеты на количество штук.
Молекулярные частицы чистого вещества одинаковы, поэтому вес капли воды равен произведению массы 1 молекулы Н2О на число составляющих молекул в капле. Плотность вещества показывает, чему равна масса одного кубического метра.
Плотность воды – 1000 кг/м³, а масса 1 м³ Н2О равна 1000 килограмм. Это число можно вычислить, умножив массу 1 молекулы воды на количество молекулярных частиц, содержащихся в 1 м3 объема.
П льда составляет 900 кг/м³, это значит, что вес кубического метра льда равна 900 кг. Употребляют единицу измерения плотности г/см3.
При равнозначности физических масс двух тел их объемы различаются. Например, объём льда в девять раз больше объема бруска из металлического сплава. Масса тела распределяется неодинаково, устанавливает П в каждой точке тела.
Влияние факторов
П зависит от давления и температуры. При высоком давлении молекулы плотно прилегают друг к другу, поэтому вещество обладает значительной плотностью.
Зависимость показателей учитывается при расчете П. При повышении температуры П снижается из-за термического расширения, при котором объем вырастает, а масса остается прежней. Если температура снижается, П увеличивается, хотя имеются вещества, П которых при некоторых условиях температурного режима ведет себя иначе. Это вода, бронза, чугун. При фазовом переходе, модифицировании агрегатного состояния П меняется скачками. Условия вычисления зависят от свойств веществ, молекулярных элементов. Для разных природных объектов П изменяется в широком диапазоне.
П воды ниже П льда из-за молекулярной структуры твердой формы жидкости. Вещество, переходя из жидкой в твердую форму, изменяет молекулярную структуру, расстояние между составными частицами сужается и плотность увеличивается. Зимой, если забыть слить воду из труб, их разрывает на части после замерзания. На П Н2О влияют примеси. У морской воды знак П выше, чем у пресной. При соединении в одном стакане двух типов жидкости пресная останется на поверхности. Чем выше концентрация соли, тем больше П воды.
Когда плотность вещества больше П воды, оно полностью погрузится в воду. Предметы, сделанные из материала по низкой П, будут плавать на поверхности воды. На практике эти свойства используются человеком. Сооружая суда, инженеры-проектировщики применяют материалы с высокой П. Корабли, теплоходы, яхты смогут затонуть во время плавания, в корпусах суден создают специальные полости, наполненные воздухом, ведь его П ниже плотности воды.
Чтобы наживка для рыбалки погрузилась в воду, ее обременяют тяжелым по плотности материалом, например, грузиком из металла (чаще свинца). Плотность сплава выше, чем у Н2О.
Жирные пятна масла, нефти, бензина остаются на поверхности воды из-за низкой П маслянистых веществ.
Практическое применение
Из учебников химии и физики вычисляют уровень плотности по формуле. Но также это можно сделать, используя онлайн-систему.
Значение показателя
Окружающий мир состоит из разных веществ.
Скамейка в парке или баня за городом сооружены из древесины, подошва утюга, сковорода выполнены из металла, покрышка колеса, велосипеда — из резины. Каждый предмет имеет свой вес.
Черные дыры Вселенной составляют наибольшую плотность 1014 кг/м3. Самый низкий показатель имеет область между Галактиками (2•10−31—5•10−31 кг/м³).
Таблица плотности веществ
| Вещество | Плотность (кг/м3) |
| Сухой воздух | 1,293 |
| Металлы | |
| Осмий | 22,61 |
| Родий | 12,41 |
| Иридий | 22,56 |
| Плутоний | 19,84 |
| Палладий | 12,02 |
| Свинец | 11,35 |
| Платина | 19,59 |
| Золото | 19,30 |
| Сталь | 7,8 |
| Алюминий | 2,7 |
| Медь | 8,94 |
| Газы | |
| Азот | 1,25 |
| Аммиак | 0,771 |
| Аргон | 1,784 |
| Жидкий водород | 70 |
| Гелий в жидком состоянии | 130 |
| Водород | 0,09 |
| Водяной пар | 0,598 |
| Воздух | 1,293 |
| Хлор | 3,214 |
| О2 | 1,429 |
| Углекислый газ | 1,977 |
| Остальные вещества | |
| Тело человека | На вдохе 940-990, при выдохе – 1010-1070 |
| Пресная вода | 1000 |
| Солнце | 1410 |
| Гранит | 2600 |
| Земля | 5520 |
| Железо | 7874 |
| Бензин | 710 |
| Керосин | 820 |
| Молоко | 1040 |
| Этанол | 789 |
| Ацетон | 792 |
| Морская вода | 1030 |
| Древесина | |
| Пихта | 0,39 |
| Ива | 0,46 |
| Ель | 0,45 |
| Сосна | 0,52 |
| Дуб | 0,69 |
П металлов изменяется от минимального значения у лития, который легче Н2О, до максимального значения у осмия, который тяжелее драгоценных металлов.
Способы расчета и примеры
В сети Интернет существует множество приложений для онлайн-расчета плотности веществ или материалов. В стандартные поля калькулятора вводится основная информация: масса, объем, единицы измерения. Плотность вычисляется автоматически по заданным параметрам и выводится на экран интерфейса. Можно перевести информативные данные в нужную единицу измерения.
Без использования учебной информации показатель П можно определить через физические опыты. Для лабораторных изучений нужны весы, сантиметр, если исследуемое тело находится в твердом состоянии. Для жидкости необходима колба.
Сначала измеряют объем тела, записывая результат по цифровой шкале (в сантиметрах или миллилитрах).
Вычисляя объем деревянного бруска квадратной формы, параметр стороны возводится в третью степень. Измеряя объемные характеристики, тело ставят на весы и записывают значение массы. Рассчитывая жидкое состояние, учитывают массу сосуда, куда помещено исследуемое. В формулу подставляют данные и рассчитывают показатель.
Поскольку П измеряется в кг/л или в г/см³, то иногда приходится пересчитывать одни величины в другие.
В одном грамме содержится 0,001 кг, а один кубический сантиметр (см³) — это 0,000001 м³. В 1 г/(см)3 содержится 1000кг/м3.
Пример 1:
Необходимо найти плотность молока, если 350 г занимают 100 см3. Для решения используют формулу, где масса делится на объем.
Решение: P=m/V = 350/100= 3,5 г/см3.
Пример 2:
Необходимо определить П мела, если масса большого куска объемом 20 см3 составляет 48 грамм. П выразить в кг/м3 и вг/см3.
Решение:
Нужно перевести см3 в кубические метры, а граммы — в килограммы.
V = 20см3= 0,00002 м3.
M= 48 г = 0,048 кг.
Плотность мела составляет 0,048 кг/0,00002 м3 = 2400 кг/м3.
Выражаем в г/см3: 2400 кг/м3 = 2400*1000/1000000 см3 = 2,4 г/см3.
Один килограмм равен 1000 грамм, один кубический метр (1м3) содержит 1000000 см 3. Плотность получится 2,4 г/см3или 2400 кг/м3.
Показатель имеет большое значение в разных сферах жизни и деятельности. Он определяется по таблице или высчитывается расчетным путем.
Плотностью вещества называется величина, численно равная массе единицы объёма этого вещества.
Каждое вещество занимает некоторый объём. И может оказаться, что объёмы двух тел равны, а их массы различны. В этом случае говорят, что плотности этих веществ различны.
Рис. (1). Тела равных объёмов на весах
Рассмотрим кусок железа, масса которого равна 1 кг, и кусок дерева, масса которого равна 1 кг. Объём дерева больше, чем объём куска железа. Плотность дерева меньше, чем плотность железа (молекулы прилегают не так плотно друг к другу).
Рис. (2). Железо и дерево
Плотность равна отношению массы тела к его объёму.
В физике плотность обозначают греческой буквой (ρ) (ро).
, где (m) — масса, (V) — объём.
Основной единицей плотности вещества является
кгм3
. Иногда используют единицу плотности
г/см3
.
Пример:
плотность железа равна 7900
кгм3
, это означает, что масса 1
м3
железа равна 7900 кг.
Плотность воды равна 1000
кгм3
, значит, масса 1
м3
воды равна 1000 кг.
Выражая по-другому, плотность воды равна 1
г/см3
, значит, масса 1
см3
воды равна 1 г.
В различных состояниях плотность вещества различна.
Например, плотность расплавленного железа меньше плотности твёрдого железа.
Плотности веществ могут быть очень различны. Самое плотное вещество находится не на Земле.
Например, в космосе плотность белого карлика Сириуса Б (звезда) так велика, что масса спичечного коробка из этого вещества была бы равна 127 тоннам.
Пример:
10 вёдер вместимостью 1 литр до краёв наполнены мёдом, масса всего мёда равна 14 кг. Найди плотность мёда.
|
(V )(= )(10) л (=) 0,01 м3 ; |
ρ=mV | ρ (= )14 кг0,01м3=1400кгм3 |
Обрати внимание!
Плотность вещества зависит от температуры: при повышении температуры обычно плотность снижается. Это связано с термическим расширением, когда при неизменной массе увеличивается объём.
Источники:
Рис. 1. Тела равных объёмов на весах. © ЯКласс.
Загрузить PDF
Загрузить PDF
Плотность тела является отношением массы к объему. Значение плотности может использоваться в геологии, физике и других естественных науках. Также от этого свойства зависит плавучесть или способность тела держаться на поверхности воды, в которой используется единица плотности в 1 грамм на кубический сантиметр (г/см3) — стандартные единицы измерения плотности.
-
1
Измерьте массу оборудования перед началом работы. Если вам требуется рассчитать плотность жидкости и в особенности газа, то нужно знать массу емкости. Это позволит вам вычесть массу из общей массы при измерении массы тела или вещества.[1]
- Поместите пустую пробирку, сосуд или другую емкость на весы и запишите массу в граммах.
- Некоторые весы позволяют «тарировать» вес. В этом случае поместите емкость на весы, после чего нажмите кнопку «Тарировать», чтобы на весах обнулилось значение массы. Такая функция позволяет вычесть массу емкости, в которой находится вещество.
-
2
Поместите тело на весы и узнайте массу. Поместите твердое тело либо емкость с жидкостью или газом на весы, чтобы измерить массу. Запишите массу в граммах без учета массы использованной емкости.[2]
-
3
Переведите массу в граммы, если используются другие единицы. Некоторые весы могут работать с другими единицами. Если в весах не используются граммы, потребуется преобразовать единицы путем умножения на коэффициент пересчета.
- 1 унция — это примерно 28,35 граммов. 1 фунт — примерно 453,59 граммов.
- В этих случаях нужно умножить массу тела на коэффициент пересчета 28,35 для унций и 453,59 для перевода фунтов в граммы.
-
4
Узнайте объем тела в кубических сантиметрах. Если вам повезло и тело имеет прямоугольные грани, то достаточно изменить длину, ширину и высоту тела в сантиметрах. Перемножьте все три значения между собой, чтобы получить объем.[3]
-
5
Определите объем тела другой формы. Для жидкости и газа нужно использовать градуированный цилиндр или пробирку, чтобы узнать объем. Для твердых тел неправильной формы потребуется использовать соответствующую формулу или погрузить данное тело в воду, чтобы подсчитать объем.
- 1 миллилитр равен 1 кубическому сантиметру. Преобразовать объем воды и газа очень просто!
- Существуют различные математические формулы для расчета объема прямоугольной призмы , цилиндра, пирамиды и других тел.
- Твердое и плотное тело неправильной формы вроде камня с неровными сторонами требуется погрузить в воду и узнать объем вытесненной воды. Согласно закону Архимеда, тело вытесняет объем жидкости, равный собственному объему. Далее следует вычесть объем жидкости из общего объема жидкости с погруженным в нее телом.[4]
Реклама
-
1
Разделите массу тела на объем. Разделите массу вещества в граммах на значение объема в кубических сантиметрах с помощью калькулятора или в столбик (возможно даже в уме). Для тела массой 20 граммов, которое занимает объем в 5 кубических сантиметров, значение плотности составит 4 грамма на кубический сантиметр.[5]
-
2
Упростите ответ до подходящего значения в значащих цифрах. В реальном мире обычно используются не настолько точные значения, как в задачах. Следовательно, если вы разделите реальную массу на объем, то получите длинное число с большим количеством знаков после запятой.
- Уточните значащие цифры у преподавателя или человека, которому требуются ваши расчеты.
- Обычно следует округлять до 2–3 знаков после десятичного разделителя. Следовательно, ваш результат вроде 32,714907 можно округлить до 32,71 или 32,715 г/см3.
-
3
Практическое применение. Обычно значение плотности тела соотносится с плотностью воды (1,0 г/см3). Тело тонет в воде, если его плотность выше единицы. В других случаях тело будет плавучим.
- Это же касается некоторых жидкостей. Например, если попытаться смешать оливковое масло с водой, то масло всплывет на поверхность по причине меньшей плотности.
- Также плотность соотносится с удельной плотностью. Часто она представляет собой плотность тела, разделенную на плотность воды (или другого вещества). Единицы измерения сокращаются, в результате чего остается число, которое представляет собой удельный вес. Его часто используют в химии, чтобы определить концентрацию вещества в растворе.[6]
Реклама
Что вам понадобится
- Обычные или пружинные весы
- Рулетка или измерительная лента
- Калькулятор
- Градуированный цилиндр (для порошков, жидкостей или газов)
Об этой статье
Эту страницу просматривали 34 464 раза.
