След като учениците се запознаха с понятието маса и обем на веществата във физиката, те изучават важна характеристика на всяко тяло, която се нарича плътност. Статията по-долу е посветена на тази стойност. Въпросите за физическото значение на плътността са разкрити по-долу. Посочена е и формулата за плътност. Описани са методите за експерименталното му измерване.
Концепцията за плътност
Нека започнем статията с директен запис на формулата за плътността на материята. Изглежда така:
ρ=m / V.
Тук m е масата на разглежданото тяло. Изразява се в системата SI в килограми. В задачите и на практика можете да намерите и други мерни единици, например грамове или тонове.
Символът V във формулата обозначава обема, който характеризира геометричните параметри на тялото. Измерва се в SI в кубични метри, но се използват и кубични километри, литри, милилитри и др.
Формулата за плътност показва каква маса на веществото се съдържа в единицасила на звука. Използвайки стойността на ρ, може да се прецени кое от двете тела ще има по-голямо тегло при равни обеми или кое от двете тела ще има по-голям обем с еднакви маси. Например, дървото е по-малко плътно от желязото. Следователно, при равни обеми на тези вещества, масата на желязото значително ще надвиши същата стойност за едно дърво.
Концепцията за относителна плътност
Самото наименование на това количество показва, че изследваната стойност за едно тяло ще се разглежда спрямо подобна характеристика за друго. Формулата за относителна плътност ρr изглежда така:
ρr=ρs / ρ0.
Където ρs е плътността на измервания материал, ρ0 е плътността, спрямо която стойността ρ r се измерва . Очевидно ρr е безразмерен. Показва колко пъти измереното вещество е по-плътно от избрания стандарт.
За течности и твърди вещества, стандартно ρ0 изберете тази стойност за дестилирана вода при температура 4 oC. Именно при тази температура водата има максимална плътност, което е удобна стойност за изчисления - 1000 kg/m3 или 1 kg/l.
За газови системи е обичайно да се използва плътност на въздуха при атмосферно налягане и температура 0 като стандарт oC.
Зависимост на плътността от налягането и температурата
Изследваната стойност не е постоянна за определено тяло,ако промените неговата температура или външно налягане. Въпреки това, течностите и твърдите вещества са несвиваеми в много ситуации, което означава, че тяхната плътност остава постоянна при промени в налягането, както и при промени в температурата.
Влиянието на налягането се проявява по следния начин: когато се увеличава, средните междуатомни и междумолекулни разстояния намаляват, което увеличава броя на моловете на веществото на единица обем. Така че плътността се увеличава. При газове се наблюдава ясно влияние на налягането върху изследваната характеристика.
Температурата има обратен ефект на налягането. С повишаване на температурата кинетичната енергия на частиците на материята се увеличава, те започват да се движат по-активно, което води до увеличаване на средните разстояния между тях. Последният факт води до намаляване на плътността.
Отново този ефект е по-изразен за газове, отколкото за течности и твърди вещества. Има изключение от това правило - това е водата. Експериментално е установено, че в температурния диапазон 0-4 oС плътността му нараства с нагряване.
Хомогенни и нехомогенни тела
Формулата за плътност, написана по-горе, съответства на така нареченото средно ρ за разглежданото тяло. Ако разпределим малко обем в него, тогава изчислената стойност ρi може да се различава значително от предишната стойност. Този факт е свързан с наличието на неравномерно разпределение на масата по обем. В този случай плътносттаρi се нарича местен.
Като се има предвид въпроса за неравномерното разпределение на материята, изглежда интересно да се изясни един момент. Когато започнем да разглеждаме елементарен обем, близък до атомните мащаби, концепцията за непрекъснатост на средата се нарушава, което означава, че няма смисъл да се използва характеристиката на локалната плътност. Известно е, че почти цялата маса на атома е концентрирана в неговото ядро, чийто радиус е около 10-13 метра. Плътността на ядрото се оценява с огромна цифра. Това е 2, 31017 kg/m3.
Измерване на плътността
По-горе беше показано, че в съответствие с формулата, плътността е равна на съотношението маса към обем. Този факт ни позволява да определим определената характеристика чрез просто претегляне на тялото и измерване на неговите геометрични параметри.
Ако формата на тялото е много сложна, тогава универсалният метод за определяне на плътността ще бъде хидростатичното претегляне. Тя се основава на използването на архимедова сила. Същността на метода е проста. Тялото първо се претегля във въздух, а след това във вода. Разликата в теглото се използва за изчисляване на неизвестната плътност. За да направите това, използвайте следната формула:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
където P0, Pl - телесно тегло във въздух и течност. Съответно, ρl е плътността на течността.
Методът на хидростатичното претегляне за определяне на плътността, според легендата, е използван за първи път от философ от СиракузаАрхимед. Той успя, без да нарушава физическата цялост на короната, да установи, че не само злато, но и други по-малко плътни метали са използвани за направата й.
