Після того, як школярі познайомилися з поняттям маси та об’єму речовин у фізиці, вони вивчають важливу характеристику будь-якого тіла, яка називається щільністю. Наведена нижче стаття присвячена саме цій величині. Нижче розкриваються питання фізичного сенсу щільності. Також наводиться формула щільності. Описуються способи її експериментального вимірювання.
Поняття щільності
Почнемо статтю з безпосереднього запису формули густини речовини. Вона має наступний вигляд:
ρ = m / V.
Тут m – це маса розглянутого тіла. Вона в системі СІ виражається в кілограмах. В задачах і на практиці можна також зустріти інші одиниці її вимірювання, наприклад, грами або тонни.
Символом V у формулі позначений обсяг, який характеризує геометричні параметри тіла. Вимірюється в СІ він в кубічних метрах, однак, також використовуються кубічні кілометри, літри, миллилитры і т. д.
Формула щільності показує, яка маса речовини міститься в одиниці об’єму. За допомогою величини ρ можна оцінити, вага якого з двох тіл буде більше при рівних обсягах, або обсяг якого з двох тіл буде більше при рівних масах. Наприклад, дерево менш щільне, ніж залізо. Тому при рівних обсягах цих речовин маса заліза буде значно перевищувати аналогічну величину для дерева.
Поняття відносної щільності
Вже сама назва цієї величини говорить про те, що вивчається величина для одного тіла буде розглядатися відносно аналогічної характеристики для іншого. Формула відносної щільності? r має такий вигляд:
? r =? s / ρ0.
Де? s – щільність вимірюваного матеріалу, ρ0 – щільність, щодо якої вимірюється величина? r. Очевидно, що? r є безрозмірною. Вона показує, у скільки разів вимірювана речовина щільніше, ніж вибраний стандарт.
Для рідин і твердих тіл в якості стандартної ρ0 вибирають цю величину для дистильованої води при температурі 4 ос. Саме при цій температурі вода має максимальну щільність, яка становить зручну для розрахунків величину – 1000 кг/м3 або 1 кг/л.
Для газових систем у якості стандартної прийнято використовувати щільність повітря при атмосферному тиску і температурі 0 oC.
Залежність щільності від тиску і температури
Вивчається величина не є постійною для конкретного тіла, якщо змінювати температуру або зовнішній тиск. Тим не менш, рідини і тверді тіла у багатьох ситуаціях є несжимаемыми, тобто їх щільність зберігається постійною при зміні тиску, а також при зміні температури.
Вплив тиску проявляється наступним чином: коли воно збільшується, то середні міжатомні і міжмолекулярні відстані зменшуються, що збільшує число молей речовини в одиниці об’єму. Отже, густина зростає. Явний вплив тиску на досліджувану характеристику спостерігається у разі газів.
Температура надає протилежний тиску ефект. Із зростанням температури підвищується кінетична енергія частинок матерії, вони починають активніше рухатися, що приводити до підвищення середніх відстаней між ними. Останній факт призводить до зниження щільності.
Знову для газів цей ефект спостерігається більш виразно, ніж для рідин і твердих тел. З наведеного правила існує виняток – це вода. Експериментально встановлено, що в температурному інтервалі 0-4 оС її густина зростає при нагріванні.
Однорідні та неоднорідні тіла
Записана вище формула щільності відповідає так званої середньої ρ для розглянутого тіла. Якщо ж виділити в ньому деякий невеликий обсяг, то розрахована величина ρi може сильно відрізнятися від попереднього значення. Цей факт пов’язаний з наявністю неоднорідного розподілу маси за об’ємом. В такому випадку щільність ρi називають локальною.
Розглядаючи питання неоднорідного розподілу речовини, видається цікавим пояснити один момент. Коли ми починаємо розглядати елементарний об’єм близький до атомних масштабах, то порушується поняття безперервності середовища, а значить, використовувати характеристику локальної щільності не має ніякого сенсу. Відомо, що практично вся маса атома зосереджена в його ядрі, радіус якого складає близько 10-13 метра. Щільність ядра оцінюють величезною цифрою. Це 2,3 * 1017 кг/м3.
Вимірювання щільності
Вище було показано, що у відповідності з формулою, щільність дорівнює відношенню маси до об’єму. Цей факт дозволяє визначити зазначену характеристику простим зважуванням тіла і вимірюванням його геометричних параметрів.
Якщо форма тіла є дуже складною, то універсальним методом визначення щільності буде гідростатичне зважування. Засноване воно на використанні до архімедового сили. Суть методу проста. Спочатку зважують тіло в повітрі, а потім, у воді. Різницю у вазі використовують для обчислення невідомої щільності. Для цього застосовують наступну формулу:
ρ = ρl * P0 / (P0 – Pl),
де P0, Pl – вага тіла в повітрі і в рідині. Відповідно, ρl – щільність рідини.
Метод гідростатичного зважування для визначення щільності, згідно з легендою, вперше використав філософ Архімед із Сіракуз. Він зміг, не порушуючи фізичну цілісність корони, визначити, що для її виготовлення використовувалося не тільки золото, але і інші менш щільні метали.
