Одиниця виміру щільності рідини. Як вимірюється густина матеріалу? Щільність різних матеріалів

Серед інших речовин на планеті Земля найнижчу щільність мають гази. Рідини, як правило, характеризуються вищою в порівнянні з ними щільністю, а максимальне значення цього показника можна зустріти у твердих речовин. Так, наприклад, найбільш щільним металом прийнято вважати осмій.

Вимірювання щільності

Разом з тим, у випадку, якщо йдеться про дуже малі обсяги речовини, щодо якої необхідно виміряти щільність, застосовується використання похідної від цієї загальноприйнятої одиниці, що виражається як кількість грамів на кубічний сантиметр. У скороченому вигляді цю одиницю прийнято позначати г/см3.

У цьому щільність різних речовин має тенденцію до зміни залежно від температури: найчастіше її зниження тягне у себе збільшення щільності речовини. Так, наприклад, звичайне повітря при температурі +20оС має щільність, рівну 1,20 кг/м³, тоді як при зниженні температури до 0оС його щільність збільшиться до 1,29 кг/м³, а при подальшому її зниженні до -50оС щільність повітря досягне 1,58 кг/м³. Разом про те, деякі речовини є виняток із цього правила, оскільки зміна їх щільності не підпорядковується зазначеної закономірності: до них належить, наприклад, вода.

Для вимірювання густини речовин застосовуються різні фізичні прилади. Так, наприклад, виміряти густину рідини можна за допомогою ареометра, а для того щоб визначити густину твердої або газоподібної речовини, можна скористатися пікнометром.

У хімічних лабораторіях часто доводиться визначати щільність. У літературі колишніх років і в довідниках старих видань наводяться таблиці питомих ваг розчинів та твердих тіл. Цією величиною користувалися замість густини, що є однією з найважливіших фізичних величин, якими характеризують властивості речовини.

Щільністю речовини називають відношення маси тіла до її об'єму:

Отже, щільність речовини виражають * г/см3. Питомою вагою називають ставлення ваги (сили тяжіння) речовини до об'єму:

Щільність і питома вага речовини знаходяться в такій самій залежності між собою, як маса і вага, тобто.

де g – місцеве значення прискорення сили тяжіння при вільному падінні. Таким чином, розмірність частки "(г/см2 сек2) і щільності (г/см3), а також їх числові значення, виражені в одній системі одиниць, відрізняються один від одного *.

Щільність тіла залежить від його місцезнаходження Землі, тоді як питому вагу змінюється залежно від цього, де Землі його виміряти.

У ряді випадків воліють користуватися так званою відносною щільністю, що є відношенням щільності даної речовини до щільності іншої речовини за певних умов. Відносна щільність виражається абстрактним числом.

Відносну щільність d рідких та твердих речовин прийнято визначати по відношенню до щільності дистильованої води:

Зрозуміло, що р і рв повинні виражатися однаковими одиницями.

Відносну щільність d можна виражати ставленням маси взятої речовини до маси дистильованої води, взятої в тому ж обсязі, що і речовина, за певних, постійних умовах.

Оскільки числові значення як відносної густини, так і відносної питомої ваги за зазначених постійних умов є однаковими, користуватися таблицями відносних питомих ваг у довідниках можна так само, якби це були таблиці щільності.

Відносна щільність є постійною величиною для кожної хімічно однорідної речовини та розчинів при даній температурі. Тому по

* У ряді випадків щільність виражають у г/мл. Відмінність між числовими значеннями густини, вираженими в г/см3 і г/мл, дуже незначна. Його слід брати до уваги лише під час робіт особливої ​​точності.

Тому за величиною відносної густини в багатьох випадках можна судити про концентрацію речовини в розчині.

* У технічній системі одиниць (MKXCC). у якій за основну одиницю прийнято не одиниця маси, а одиниця сили - кілограм-сила (кГ або кгс), питома вага виражається в кГ/м3 або Г/см3. Слід зазначити, що числові значення питомої ваги, виміряного Г/см3, і щільності, виміряної в г/см3, збігаються, що нерідко викликає плутанину в поняттях «щільність» і «питома вага».

Зазвичай щільність розчину збільшується зі збільшенням концентрації розчиненої речовини (якщо вона сама має щільність більше, ніж розчинник). Але є речовини, котрим збільшення щільності зі збільшенням концентрації йде лише відомої межі, після якого зі збільшенням концентрації відбувається зменшення щільності.

Наприклад, сірчана кислота має найвищу густину, рівну 1,8415 при концентрації 97,35%. Подальше збільшення концентрації супроводжується зменшенням густини до 1,8315, що відповідає 99,31%.

Оцтова кислота має максимальну щільність при концентрації 77-79%, а 100%-ва оцтова кислота має ту ж щільність, що і 41%-на.

Відносна густиназалежить від температури, за якої її визначають. Тому завжди вказують температуру, за якої робили визначення, і температуру води (обсяг взято за одиницю). У довідниках це показують за допомогою відповідних індексів, наприклад, eft; наведене позначення вказує, що відносна щільність визначена при температурі 2O0C і за одиницю для порівняння взята щільність води при температурі 4е С. Зустрічаються також інші індекси, що позначають умови, при яких вироблялося визначення відносної щільності, наприклад Я4 Ul і т. д.

Зміна відносної щільності 90% сірчаної кислоти в залежності від температури навколишнього середовища наводиться нижче:

Відносна щільність з підвищенням температури зменшується, зі зниженням її збільшується.

При визначенні відносної щільності необхідно відмічати температуру, при якій воно проведено, і отримані величини порівнювати з табличними даними, визначеними при тій же температурі.

Якщо вимір проведено не за тієї температури, яка вказана в довіднику, то. вводять поправку, що обчислюється як середня зміна відносної густини на один градус. Наприклад, якщо в інтервалі між 15 і 20 0C відносна щільність 90% сірчаної кислоти зменшується на 1,8198-1,8144 = 0,0054, то в середньому можна прийняти, що при зміні температури на 1 0С (вище 15 0C) відносна густина зменшується на 0,0054: 5 = 0,0011.

Таким чином, якщо визначення вести при 18 0C, то відносна щільність зазначеного розчину повинна дорівнювати:

Однак для введення температурної поправки до відносної густини зручніше користуватися наведеною нижче номограмою (рис. 488). Ця номограма, крім того, дає можливість але відомої відносної щільності, обчисленої при стандартній температурі 20 ° С, приблизно визначати відносну щільність при інших температурах, в чому іноді може виникнути потреба. Відносну щільність рідин можна визначати за допомогою ареометрів, пікнометрів, спеціальних ваг т.п.

Визначення відносної густини ареометрами.

Для швидкого визначення відносної густини рідини застосовують так звані ареометри (рис. 489). Це-скляна трубка (рис. 489, а), що розширюється внизу і має на кінці скляний резервуар, заповнений дробом або спеціальною масою, (рідше - ртуттю). У верхній вузькій частині ареометра є шкала з розподілами. Чим менша відносна щільність рідини, тим глибше занурюється в неї ареометр. Тому на його шкалі вгорі нанесено найменше значення відносної густини, яке можна визначити даним ареометром, внизу – найбільше. Наприклад, у ареометрів для рідин з відносною щільністю менше одиниці внизу коштує 1000 вище 0990 ще вище 0980 і т.д.

Проміжки між цифрами розділені більш дрібні поділу, дозволяють визначати відносну щільність з точністю до третього десяткового знака. У найбільш точних ареометрів шкала охоплює значення відносної густини в межах 0,2-0,4 одиниці (наприклад, Для визначення густини від 1,000 до 1,200, від 1,200 до 1,400 і т. д.). Такі ареометри зазвичай продають у вигляді наборів, які дають можливість визначати відносну густину в широкому інтервалі.

Номограма для запровадження температурної поправки

Іноді ареометри мають термометри (рис. 489,6), що дозволяє одночасно вимірювати температуру, при якій проводиться визначення. Для визначення відносної щільності за допомогою ареометра рідину наливають у скляний циліндр (мал. 490) ємністю не менше 0,5 л, подібний формою з мірним, але без носика і поділів. Розмір циліндра має відповідати розміру ареометра. Наливати рідину в циліндр до країв не слід, тому що при зануренні ареометра рідина може перелитися через край. Це буває навіть небезпечно при вимірюванні щільності концентрованих кислот або концентрованих лугів та ін. Тому рівень рідини в циліндрі повинен бути на кілька сантиметрів нижче за край циліндра.

Іноді циліндр визначення щільності має зверху жолоб, розташований концентрично, отже якщо рідина при зануренні ареометра переллється через край, вона не виллється на стіл.

Для визначення відносної густини є спеціальні прилади, що підтримують постійний рівень рідини в циліндрі. Схему одного з таких приладів наведено на рис. 491. Це - циліндр 2, що має на певній висоті відвідну трубку 3 для стікання рідини, що витісняється ареометром при зануренні його в рідину. Рідина, що витісняється, надходить у трубку 4, що має кран 5, через який рідина може бути злита. Циліндр можна наповнювати досліджуваною рідиною через зрівняльну трубку /, що має у верхній частині циліндричне розширення.

Вивчення густини речовин починається в курсі фізики середньої школи. Це поняття вважається основним у подальшому викладі основ молекулярно-кінетичної теорії у курсах фізики та хімії. Метою вивчення будови речовини, методів дослідження можна припустити формування наукових поглядів на світі.

Початкові уявлення про єдину картину світу дає фізика. 7 клас щільність речовини вивчає на підставі найпростіших уявлень про методи дослідження, практичного застосування фізичних понять та формул.

Методи фізичного дослідження

Як відомо, серед методів дослідження явищ природи виділяють спостереження та експеримент. Проводити спостереження за природними явищами навчають у початковій школі: проводять найпростіші виміри, найчастіше ведуть «Календар природи». Ці форми навчання здатні привести дитину до необхідності вивчення світу, зіставлення явищ, що спостерігаються, виявлення причинно-наслідкових зв'язків.

Однак лише повноцінно проведений експеримент дасть до рук юному досліднику інструменти у розкритті таємниць природи. Розвиток експериментальних, дослідницьких навичок складає практичних заняттях і під час виконання лабораторних робіт.

Проведення експерименту у курсі фізики починають із визначень таких фізичних величин, як довжина, площа, обсяг. При цьому встановлюється зв'язок між математичними (для дитини досить абстрактними) та фізичними знаннями. Звернення до досвіду дитини, розгляд давно відомих йому фактів з наукового погляду сприяє формуванню в нього необхідної компетентності. Мета навчання в цьому випадку - прагнення до самостійного осягнення нового.

Вивчення щільності

Відповідно до проблемного методу навчання на початку уроку можна задати відому загадку: «Що важче: кілограм пуху чи кілограм чавуну?» Зрозуміло, 11-12-річні хлопці легко дають відповідь на відоме їм питання. Але звернення до суті питання, можливість розкрити його особливість призводить до поняття щільності.

Щільність речовини – маса одиниці його обсягу. Таблиця зазвичай наведена у підручниках чи довідкових виданнях, дозволяє оцінити різницю між речовинами, і навіть агрегатними станами речовини. Вказівка ​​на відмінність у фізичних властивостях твердих тіл, рідин і газів, розглянуте раніше, пояснення цієї відмінності у будові і взаємному розташуванні частинок, а й у математичному вираженні показників речовини, перекладає вивчення фізики інший рівень.

Закріпити знання про фізичний сенс досліджуваного поняття дозволяє таблиця густини речовин. Дитина, даючи відповідь питанням: «Що означає величина щільності певної речовини?», розуміє, що це маса 1 см 3 (або 1 м 3) речовини.

Питання одиницях вимірювання щільності можна порушити вже цьому етапі. Необхідно розглянути способи переведення одиниць вимірювання у різних системах відліку. Це дозволяє позбутися статичності мислення, прийняти інші системи обчислень та інших питаннях.

Визначення густини

Природно, вивчення фізики може бути повним без вирішення завдань. На цьому етапі запроваджуються формули розрахунку. у фізиці 7 класу, напевно, перше фізичне співвідношення величин для дітей. Їй приділяється особлива увага не лише внаслідок вивчення понять густини, а й за фактом навчання методів вирішення завдань.

Саме на цьому етапі закладається алгоритм розв'язання фізичного обчислювального завдання, ідеологія застосування основних формул, визначень, закономірностей. Навчити аналізу завдання, способу пошуку невідомого, особливостям використання одиниць виміру вчитель намагається застосуванні такого співвідношення, як формула щільності у фізиці.

Приклад розв'язання задач

Приклад 1

Визначте, з якої речовини виготовлений кубик масою 540 г та об'ємом 0,2 дм 3 .

ρ -? m = 540 г, V = 0,2 дм 3 = 200 см 3

Аналіз

Виходячи із питання завдання, розуміємо, що визначити матеріал, з якого виготовлений кубик, нам допоможе таблиця щільностей твердих речовин.

Отже, визначимо густину речовини. У таблицях ця величина дана в г/см 3 тому обсяг з дм 3 переведений в см 3 .

Рішення

За визначенням: ρ = m: V.

Нам дані: обсяг, маса. Щільність речовини можна обчислити:

ρ = 540 г: 200 см 3 = 2,7 г/см 3 що відповідає алюмінію.

Відповідь: кубик з алюмінію.

Визначення інших величин

Використання формули розрахунку густини дозволяє визначати й інші фізичні величини. Маса, об'єм, лінійні розміри тіл, пов'язані з об'ємом, легко обчислюються в задачах. Знання математичних формул визначення площі та обсягу геометричних фігур застосовується у завданнях, що дозволяє пояснити необхідність вивчення математики.

Приклад 2

Визначте товщину шару міді, якою покрита деталь площею поверхні 500 см 2 якщо відомо, що на покриття витрачено 5 г міді.

h -? S = 500 см 2 m = 5 г, ρ = 8,92 г/см 3 .

Аналіз

Таблиця густини речовин дозволяє визначити величину густини міді.

Скористаємося формулою розрахунку щільності. У цій формулі є обсяг речовини, з якої можна визначити лінійні розміри.

Рішення

За визначенням: ρ = m: V, але у цій формулі немає шуканої величини, тому використовуємо:

Підставляючи в основну формулу, отримаємо: ρ = m: Sh, звідки:

Обчислимо: h = 5 г: (500 см 2 х 8,92 г/см 3) = 0,0011 см = 11 мкм.

Відповідь: Товщина шару міді дорівнює 11 мкм.

Експериментальне визначення густини

Експериментальний характер фізичної науки демонструється під час проведення лабораторних дослідів. На цьому етапі набуваються навички проведення досвіду, пояснення його результатів.

Практичне завдання визначення щільності речовини включає:

• Визначення густини рідини. На цьому етапі хлопці, які вже використовували раніше мірний циліндр, легко визначають щільність рідини з використанням формули.
• Визначення густини речовини твердого тіла правильної форми. Це завдання також не викликає сумнівів, оскільки вже розглянуто аналогічні розрахункові завдання та набуто досвіду вимірювання обсягів за лінійними розмірами тіл.
• Визначення густини твердого тіла неправильної форми. За виконання цього завдання користуємося методом визначення обсягу тіла неправильної форми з допомогою мензурки. Не зайве ще раз нагадати особливості цього методу: здатність твердого тіла витісняти рідину, об'єм якої дорівнює об'єму тіла. Далі завдання вирішується стандартно.

Завдання підвищеної складності

Ускладнити завдання можна, запропонувавши дітям визначити речовину, з якої виготовлено тіло. Таблиця щільності речовин, що використовується при цьому, дозволяє звернути увагу на необхідність уміння працювати з довідковою інформацією.

При вирішенні експериментальних завдань учні повинні мати необхідний обсяг знань у сфері використання та перекладу одиниць виміру. Найчастіше це викликає найбільше помилок і недоліків. Можливо, цьому етапу вивчення фізики варто виділити більше часу, він дозволяє зіставити знання та досвід дослідження.

Об'ємна щільність

Дослідження чистої речовини, зрозуміло, цікаве, але чи часто трапляються чисті речовини? У повсякденному житті ми зустрічаємося зі сумішами та сплавами. Як бути у цьому випадку? Поняття об'ємної щільності не дозволить учням зробити типовою помилкою та використовувати середні значення щільності речовин.

Пояснити це питання вкрай необхідно, дати можливість побачити, відчути різницю між густиною речовини та об'ємною густиною стоїть на ранніх етапах. Розуміння цієї відмінності необхідне подальшому вивченні фізики.

Вкрай цікава ця відмінність у випадку Дозволити дитині дослідження об'ємної щільності залежно від ущільнення матеріалу, розміру окремих частинок (жвір, пісок тощо) можна під час початкової дослідницької діяльності.

Відносна щільність речовин

Відносна щільність речовини - одна з таких величин.

Зазвичай відносну густину речовини визначають по відношенню до дистильованої води. Як відношення густини даної речовини до густини зразка, ця величина визначається за допомогою пікнометра. Але в шкільному курсі природознавства ця інформація не використовується, цікава вона при глибокому вивченні (найчастіше факультативно).

Олімпіадний рівень вивчення фізики та хімії може торкнутися і поняття «відносна щільність речовини воднем». Зазвичай його застосовують до газів. Для визначення відносної щільності газу знаходять відношення молярної маси досліджуваного газу до використання не виключається.

Залежить не тільки від його розмірів, а й від речовини, з якої тіло складається. Так, тіла одного об'єму, виготовлені з різних речовин, мають різні маси, і назад: тіла, які мають однакові маси, виготовлені з різних речовин, мають різні об'єми.

Щільність тіла - залежність маси та об'єму

Наприклад, залізний куб з ребром 10 см має масу 7,8 кг, алюмінієвий куб тих же розмірів має масу 2,7 кг, а маса такого ж куба з льоду 0,9 кг. Величина, що характеризує масу, що припадає на одиничний обсяг цієї речовини, називається щільністю. Щільність дорівнює частки від маси тіла та його обсягу, тобто.

ρ = m/V, де ρ (читається «ро») густина тіла, m - його маса, V об'єм.

У Міжнародній системі одиниць СІ густина вимірюється в кілограмах на кубічний метр (кг/м3); також часто використовуються позасистемні одиниці, наприклад, грам на кубічний сантиметр (г/см3). Вочевидь, 1 кг/м3 = 0,001 г/см3. Зауважимо, що з нагріванні речовин їх щільність зменшується чи (рідше) збільшується, але це зміна настільки незначно, що з розрахунках їм нехтують.

Зробимо застереження, що густина газів непостійна; коли йдеться про щільність якогось газу, зазвичай мається на увазі його щільність при 0 градусів за Цельсієм і нормальний атмосферний тиск (760 міліметрів ртутного стовпа).

Розрахунок маси та об'єму тіла

У повсякденному житті ми часто стикаємося з необхідністю розраховувати маси та обсяги різних тіл. Це зручно робити, застосовуючи густину.

Щільності різних речовин визначаються за таблицями, наприклад, густина води 1000 кг/м3, густина етилового спирту 800 кг/м3.

З визначення густини слід, що маса тіла дорівнює добутку його густини та обсягу. Об'єм тіла дорівнює приватному від маси і щільності. Цим користуються при розрахунках:

m = ρ * V; або V = m/p;

гдн m маса даного тіла, ρ його густина, V об'єм тіла.

Розглянемо приклад такого розрахунку

Порожня склянка має масу m1=200 г. Якщо налити в неї води, її маса буде m2= 400 г. Яку масу матиме ця склянка, якщо налити стільки ж (за обсягом) ртуті?

Рішення.Знайдемо масу налитої води. Вона дорівнюватиме різниці маси склянки з водою і маси порожньої склянки:

mводи = m2-m1 = 400 г 200 г = 200 г.

Знайдемо обсяг цієї води:

V = m/ρв = 200 г/1 г/см3 = 200 см3 (рів щільність води).

Знайдемо масу ртуті у цьому обсязі:

mрт = ρртV = 13,6 г/см3 * * 200 см3 = 2720 р.

Знайдемо шукану масу:

m = mрт + m1 = 2720 г + 200 г = 2920 р.

Відповідь:маса склянки з ртуттю дорівнює 2920 грамів.

Розглянемо складніший приклад розрахунку

Злиток із двох металів із щільностями ρ1 і ρ2 має масу m і об'єм V. Визначити об'єм цих металів у злитку.

Рішення.Нехай V1 обсяг першого металу, V2 обсяг другого металу. Тоді V1 + V2 = V; V1 = V V2; ρ1V1 + p2V2 = ρ1V1 + ρ2 (V V1) = m

Щільністю прийнято називати таку фізичну величину, яка визначає відношення маси предмета, речовини або рідини до об'єму, що займає ними, в просторі. Поговоримо про те, що таке щільність, чим відрізняється щільність тіла та речовини і як (за допомогою якої формули) визначити щільність у фізиці.

Види щільності

Слід уточнити, що щільність може бути поділена на кілька видів.

Залежно від об'єкта, що досліджується:

• Щільність тіла – для однорідних тіл – це пряме відношення маси тіла до його об'єму, який займає у просторі.
• Щільність речовини - це густина тіл, що складаються з цієї речовини. Щільність речовин стала. Існують спеціальні таблиці, де позначено щільність різних речовин. Наприклад, густина алюмінію дорівнює 2,7 * 103 кг/м 3 . Знаючи густину алюмінію та масу тіла, яке з нього зроблено, ми можемо обчислити об'єм цього тіла. Або, знаючи, що тіло складається з алюмінію і знаючи обсяг цього тіла, ми можемо з легкістю обчислити його масу. Як знайти ці величини, ми розглянемо трохи пізніше, коли виведемо формулу для обчислення густини.
• Якщо тіло складається з декількох речовин, то для визначення його густини необхідно обчислити густину його деталей для кожної речовини окремо. Така щільність називається середньою густиною тіла.

Залежно від пористості речовини, з якої складається тіло:

• Справжня щільність - це щільність, яка обчислюється без урахування порожнеч у тілі.
• Питома щільність - або щільність, що здається - це та, яка обчислена з урахуванням порожнеч тіла, що складається з пористої або розсипчастої речовини.

Отже, як знайти густину?

Формула для обчислення густини

Формула, що допомагає знайти щільність тіла, виглядає так:

• p = m/V, де p – щільність речовини, m – маса тіла, V – об'єм тіла у просторі.

Якщо ми обчислюємо щільність того чи іншого газу, то формула виглядатиме так:

• p = M / V m p - густина газу, M - молярна маса газу, V m - молярний об'єм, який за нормальних умов дорівнює 22,4 л/моль.

Приклад: маса речовини 15 кг, вона займає 5 літрів. Яка густина речовини?

Рішення: підставляємо значення формулу

• р = 15/5 = 3 (кг/л)

Відповідь: густина речовини 3 кг/л

Одиниці виміру щільності

Крім знань про те, як знайти щільність тіла та речовини, необхідно знати і одиниці виміру щільності.

• Для твердих тіл - кг/м 3 г/см 3
• Для рідин – 1 гр/л або 10 3 кг/м 3
• Для газів – 1 гр/л або 10 3 кг/м 3

Докладніше про одиниці виміру щільності можна прочитати в нашій статті.

Як знайти щільність у домашніх умовах

Для того, щоб знайти щільність тіла або речовини в домашніх умовах, вам знадобляться:

1. Терези;
2. сантиметр, якщо тіло тверде;
3. Посудина, якщо ви хочете виміряти щільність рідини.

Щоб знайти густину тіла в домашніх умовах, потрібно виміряти його об'єм за допомогою сантиметра або судини, а потім поставити тіло на ваги. Якщо ви вимірюєте щільність рідини, то не забудьте відняти перед розрахунками масу судини, в яку ви налили рідину. Щільність газів в домашніх умовах обчислити набагато складніше, ми рекомендуємо скористатися готовими таблицями, в яких вже позначені густини різних газів.