După ce elevii s-au familiarizat cu conceptul de masă și volum al substanțelor din fizică, ei studiază o caracteristică importantă a oricărui corp, care se numește densitate. Articolul de mai jos este dedicat acestei valori. Întrebările despre semnificația fizică a densității sunt dezvăluite mai jos. Este dată și formula densității. Sunt descrise metode pentru măsurarea sa experimentală.
Conceptul de densitate
Să începem articolul cu o înregistrare directă a formulei pentru densitatea materiei. Arată așa:
ρ=m / V.
Aici m este masa corpului considerat. Se exprimă în sistemul SI în kilograme. În sarcini și în practică, puteți găsi și alte unități de măsură ale acestuia, de exemplu, grame sau tone.
Simbolul V din formulă denotă volumul care caracterizează parametrii geometrici ai corpului. Se măsoară în SI în metri cubi, totuși se folosesc și kilometri cubi, litri, mililitri etc.
Formula densității arată ce masă de substanță este conținută într-o unitatevolum. Folosind valoarea lui ρ se poate estima care dintre cele două corpuri va avea o greutate mai mare cu volume egale, sau care dintre cele două corpuri va avea un volum mai mare cu mase egale. De exemplu, lemnul este mai puțin dens decât fierul. Prin urmare, cu volume egale ale acestor substanțe, masa fierului va depăși semnificativ aceeași valoare pentru un copac.
Conceptul de densitate relativă
Însuși numele acestei cantități indică faptul că valoarea studiată pentru un corp va fi considerată în raport cu o caracteristică similară pentru altul. Formula pentru densitatea relativă ρr arată astfel:
ρr=ρs / ρ0.
Unde ρs este densitatea materialului măsurat, ρ0 este densitatea față de care valoarea ρ r este măsurat . Evident, ρr este fără dimensiune. Acesta arată de câte ori substanța măsurată este mai densă decât standardul selectat.
Pentru lichide și solide, ca standard ρ0 alegeți această valoare pentru apa distilată la o temperatură de 4 oC. La această temperatură apa are o densitate maximă, care este o valoare convenabilă pentru calcule - 1000 kg/m3 sau 1 kg/l.
Pentru sistemele cu gaz, este obișnuit să se utilizeze densitatea aerului la presiunea atmosferică și temperatura 0 ca standard oC.
Dependența densității de presiune și temperatură
Valoarea studiată nu este constantă pentru un anumit corp,dacă îi modifici temperatura sau presiunea exterioară. Cu toate acestea, lichidele și solidele sunt incompresibile în multe situații, ceea ce înseamnă că densitatea lor rămâne constantă pe măsură ce presiunea se modifică, precum și schimbările de temperatură.
Influența presiunii se manifestă astfel: atunci când aceasta crește, distanțele medii interatomice și intermoleculare scad, ceea ce crește numărul de moli ai unei substanțe pe unitatea de volum. Deci densitatea crește. O influență clară a presiunii asupra caracteristicii studiate se observă în cazul gazelor.
Temperatura are efectul opus presiunii. Odată cu creșterea temperaturii, energia cinetică a particulelor de materie crește, acestea încep să se miște mai activ, ceea ce duce la o creștere a distanțelor medii dintre ele. Acest din urmă fapt duce la o scădere a densității.
Din nou, acest efect este mai pronunțat pentru gaze decât pentru lichide și solide. Există o excepție de la această regulă - aceasta este apa. S-a stabilit experimental că în intervalul de temperatură 0-4 oС densitatea sa crește odată cu încălzirea.
Corpi omogene și neomogene
Formula densității scrisă mai sus corespunde așa-numitei medii ρ pentru corpul considerat. Dacă alocam un volum mic în el, atunci valoarea calculată ρi poate diferi foarte mult de valoarea anterioară. Acest fapt este legat de prezența unei distribuții neuniforme a masei pe volum. În acest caz, densitateaρi se numește local.
Având în vedere problema distribuției neuniforme a materiei, pare interesant de clarificat un punct. Când începem să luăm în considerare un volum elementar apropiat de scările atomice, conceptul de continuitate medie este încălcat, ceea ce înseamnă că nu are sens să folosim caracteristica densității locale. Se știe că aproape întreaga masă a unui atom este concentrată în nucleul său, a cărui rază este de aproximativ 10-13 metri. Densitatea miezului este estimată printr-o cifră uriașă. Acesta este 2, 31017 kg/m3.
Măsurarea densității
S-a arătat mai sus că, în conformitate cu formula, densitatea este egală cu raportul dintre masă și volum. Acest fapt ne permite să determinăm caracteristica specificată prin simpla cântărire a corpului și măsurarea parametrilor geometrici ai acestuia.
Dacă forma corpului este foarte complexă, atunci metoda universală de determinare a densității va fi cântărirea hidrostatică. Se bazează pe folosirea forței arhimedeene. Esența metodei este simplă. Corpul este mai întâi cântărit în aer și apoi în apă. Diferența de greutate este utilizată pentru a calcula densitatea necunoscută. Pentru a face acest lucru, utilizați următoarea formulă:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
unde P0, Pl - greutatea corporală în aer și lichid. În consecință, ρl este densitatea lichidului.
Metoda cântăririi hidrostatice pentru a determina densitatea, conform legendei, a fost folosită pentru prima dată de un filozof din SiracuzaArhimede. El a putut, fără a încălca integritatea fizică a coroanei, să stabilească că nu numai aurul, ci și alte metale mai puțin dense au fost folosite pentru a o face.
