Плотность воды в системе си. Плотность вещества: формула, определение и зависимость от температуры

Чтобы понять, каким образом и в чем измеряется плотность, прежде всего, необходимо дать определение слову плотность.Плотность вещества — это физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма. Иными словами плотность это отношение массы вещества к его объёму.

Существует два основных метода определения плотности вещества — это прямой метод и косвенный. К косвенному методу относится математический расчёт плотности вещества по формуле, ρ = m / V , где ρ — плотность, m - масса вещества, V — объём вещества.
Возникает вопрос, а в каких единицах измеряется плотность? Это зависит от того, какое количество вещества было принято за массу и для какого единичного объёма.Например, если наполнить ёмкость объёмом 1л водой, затем взвесить эту ёмкость вместе с водой и от полученной массы отнять массу ёмкости — получим массу воды. Допустим полученное значение массы воды равно 1кг. После чего, зная массу и объём воды, математически (косвенным методом) можно рассчитать плотность воды, поделив массу воды (1 кг) на объём (1л). Полученное значение 1 кг/л и есть плотность воды, где кг/л — то, в чем измеряется плотность.

Для прямого измерения плотности жидкости используются такие средства измерения, как ареометры или электронные плотномеры , как у компании - производителя плотномеров LEMIS Baltic. Данные средства измерения будут выдавать значения плотности измеряемой жидкости в г/см3 и в кг/м3 — это то, в каких единицах измеряется плотность по стандарту в системе СИ.

Т.е. однозначного ответа в чем измеряется плотность нет. Самые часто используемые величины были указаны ранее. Но также могут быть использованы и другие. Например, если в стране используется не метрическая система измерения, то единицы измерения плотности совершенно другие.

Рисунок 1. Таблица плотностей некоторых веществ. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Все тела в окружающем нас мире имеют различные размеры и объемы. Но даже при одинаковых объемных данных масса веществ будет существенно отличаться. В физике такое явление называют плотностью вещества.

Плотность – это основное физическое понятие, дающее представление о характеристиках любого известного вещества.

Определение 1

Плотность вещества – физическая величина, которая показывает массу определенного вещества в единице объема.

Единицами объема в пересчете плотности вещества обычно являются кубический метр или кубический сантиметр. Определение плотности вещества осуществляется специальным оборудованием и приборами.

Для определения плотности вещества необходимо массу его тела поделить на собственный объем. При расчете плотности вещества используют следующие величины:

массу тела ($m$); объем тела ($V$); плотность тела ($ρ$)

Замечание 1

$ρ$ - это буква греческого алфавита "ро" и ее нельзя путать с похожим обозначением давления – $p$ («пэ»).

Формула плотности вещества

Расчет плотности вещества происходит с использования системы измерений СИ. В ней единицы плотности выражаются в килограммах на кубический метр или граммах на кубический сантиметр. Также можно использовать любую систему измерения.

У вещества бывают разные степени плотности, если оно находится в различных агрегатных состояниях. Иными словами, плотность вещества, находящегося в твердом состоянии, будет иным, чем плотность этого же вещества в жидком или газообразном состоянии. Например, для воды характерна плотность в обычном жидком состоянии 1000 килограммов на кубический метр. В замороженном состоянии вода (лед) будет иметь плотность уже 900 килограммов на кубический метр. Водяной пар при нормальном атмосферном давлении и температуре близкой к нулю градусов будет иметь плотность 590 килограммов на кубический метр.

Стандартная формула плотности вещества выглядит следующим образом:

Помимо стандартной формулы, которая используется только для твёрдых веществ, существует формула для газа в нормальных условиях:

$ρ = M / Vm$, где:

• $M$ - молярная масса газа,
• $Vm$ - молярный объём газа.

Существуют два вида твердых тел:

• пористые;
• сыпучие.

Замечание 2

Их физические характеристики напрямую влияют на показатели плотности вещества.

Плотность однородных тел

Определение 2

Плотностью однородных тел называют отношение массы тела к его объему.

В понятие плотности вещества вмещают определение плотности однородного и равномерно распределенного тела с неоднородной структурой, которое состоит из этого вещества. Это постоянная величина и для большего понимания информации формируют специальные таблицы, где собраны все распространенные вещества. Значения по каждому веществу разделены на три составляющие:

• плотность тела в твердом состоянии;
• плотность тела в жидком состоянии;
• плотность тела в газообразном состоянии.

Вода достаточно однородное вещество. Некоторые вещества не столь однородны, поэтому для них определяют среднюю плотность тела. Для выведения этого значения необходимо знать результат ρ вещества по каждому компоненту в отдельности. Сыпучие и пористые тела обладают истинной плотностью. Она определяется без учета пустот в своей структуре. Удельную плотность можно рассчитать путём деления массы вещества на весь занимаемый им объём.

Подобные величины связаны между собой коэффициентом пористости. Он представляет собой отношение объёма пустот к общему объёму тела, которое в данный момент исследуется.

Плотность веществ зависит от многих дополнительных факторов. Ряд из них одновременно повышают для одних веществ эту величину, а для остальных - понижают. При низкой температуре происходит увеличение плотности вещества. Некоторые вещества способны реагировать на изменение температурного режима по-разному. В этом случае принято говорить, что плотность при определённом температурном диапазоне ведёт себя аномальным образом. К таким веществам часто относят бронзу, воду, чугун и некоторые другие сплавы. Плотность воды имеет наибольший показатель при 4 градусах по Цельсию. При дальнейшем нагреве или охлаждении этот показатель также существенно может изменяться.

Метаморфозы с плотностью воды происходят при переходе из одного агрегатного состояния в другое. Показатель ρ меняет в этих случаях свои значения скачкообразным образом. Он поступательно увеличивается при переходе в жидкость из газообразного состояния, а также в момент кристаллизации жидкости.

Существует, и немало, исключительных случаев. Например, кремний имеет при затвердевании небольшие значения по плотности.

Измерение плотности вещества

При эффективном измерении плотности вещества обычно используют специальное оборудование. Оно состоит из:

• весов;
• измерительного прибора в виде линейки;
• мерной колбы.

Если исследуемое вещество находится в твердом состоянии, то в качестве измерительного прибора используют мерку в виде сантиметра. Если исследуемое вещество находится в жидком агрегатном состоянии, то при измерениях используют мерную колбу.

Сначала предстоит измерить объем тела при помощи сантиметра или мерной колбы. Исследователь наблюдает за шкалой измерений и фиксирует получившийся результат. Если исследуется деревянный брус кубической формы, то плотность будет равна значению стороны, возведенную в третью степень. При исследовании жидкости необходимо дополнительно учитывать массу сосуда, при помощи которого проводятся измерения. Полученные значения необходимо подставить в универсальную формулу по плотности вещества и рассчитать показатель.

Для газов расчет показателя происходит очень сложно, поскольку необходимо пользоваться различными измерительными приборами.

Обычно для расчета плотности веществ используют ареометр. Он предназначен для получения результатов у жидкостей. Истинную плотность изучают при помощи пикнометра. Почвы исследуют при помощи буров Качиньского и Зайдельмана.

Формулы, используемые в задачах по физике на плотность, массу и объем.

Плотность равна отношению массы тела к его объёму. Плотность обозначают греческой буквой ρ (ро).

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача № 1. Найдите плотность молока, если 206 г молока занимают объем 200 см 3 ?

Задача № 2. Определите объем кирпича, если его масса 5 кг?

Задача № 3. Определите массу стальной детали объёмом 120 см 3

Задача № 4. Размеры двух прямоугольных плиток одинаковы. Какая из них имеет большую массу, если одна плитка чугунная, другая - стальная?

Решение: Из таблицы плотности веществ (см. в конце страницы) определим, что плотность чугуна (ρ 2 = 7000 кг/м 3 ) меньше плотности стали (ρ 1 = 7800 кг/м 3 ). Следовательно, в единице объема чугуна содержится меньшая масса, чем в единице объема стали, так как чем меньше плотность вещества, тем меньше его масса, если объемы тел одинаковы.

Задача № 5. Определите плотность мела, если масса его куска объемом 20 см 3 равна 48 г. Выразите эту плотность в кг/м 3 и в г/см 3 .

Ответ: Плотность мела 2,4 г/см 3 , или 2400 кг/м 3 .

Задача № 6. Какова масса дубовой балки длиной 5 м и площадью поперечного сечения 0,04 м 2 ?

ОТВЕТ: 160 кг.

РЕШЕНИЕ. Из формулы для плотности получаем m = p V. С учетом того, что объем балки V = S l , получаем: m = p S l .

Вычисляем: m = 800 кг/м 3 0,04 м 2 5 м = 160 кг.

Задача № 7. Брусок, масса которого 21,6 г, имеет размеры 4 х 2,5 х 0,8 см. Определить, из какого вещества он сделан.

ОТВЕТ: Брусок сделан из алюминия.

Задача № 8 (повышенной сложности). Полый медный куб с длиной ребра а = 6 см имеет массу m = 810 г. Какова толщина стенок куба?

ОТВЕТ: 5 мм.

РЕШЕНИЕ: Объем кубика V K = а 3 = 216 см 3 . Объем стенок V С можно вычислить, зная массу кубика m К и плотность меди р : V С = m К / р = 91 см 3 . Следовательно, объем полости V П = V K — V C = 125 см 3 . Поскольку 125 см 3 = (5 см) 3 , полость является кубом с длиной ребра b = 5 см . Отсюда следует, что толщина стенок куба равна (а — b)/2 = (6 – 5)/2 = 0,5 см .

Задача № 9 (олимпиадный уровень). Масса пробирки с водой составляет 50 г. Масса этой же пробирки, заполненной водой, но с куском металла в ней массой 12 г составляет 60,5 г. Определите плотность металла, помещенного в пробирку.

ОТВЕТ: 8000 кг/м 3

РЕШЕНИЕ: Если бы часть воды из пробирки не вылилась, то в этом случае общая масса пробирки, воды и куска металла в ней была бы равна 50 г + 12 г = 62 г. По условию задачи масса воды в пробирке с куском металла в ней равна 60,5 г. Следовательно, масса воды, вытесненной металлом, равна 1,5 г, т. е. составляет 1/8 массы куска металла. Таким образом, плотность металла в 8 раз больше плотности воды.

Задачи на плотность, массу и объем с решением. Таблица плотности веществ.

Как получается, что тела, которые занимают одинаковый объём в пространстве, могут при этом иметь различную массу? Всё дело в их плотности. С этим понятием мы знакомимся уже в 7 классе, в первый год преподавания физики в школе. Оно является основным физическим понятием, способным открыть для человека МКТ (молекулярно-кинетическую теорию) не только в курсе физики, но и в химии. С помощью него человек может характеризовать любое вещество, будь то вода, дерево, свинец или воздух.

Виды плотности

Итак, это скалярная величина, которая равна отношению массы исследуемого вещества к его объёму, то есть, ещё может быть названа удельной массой . Обозначается греческой буквой «ρ» (читается как «ро»), не путать с «p» - этой буквой принято обозначать давление.

Как найти плотность в физике? Используйте формулу плотности: ρ = m/V

Эта величина может измеряться и в г/л, г/м3 и вообще в любых единицах, связанных с массой и объёмом. Какова единица плотности в СИ? ρ = [кг/м3]. Перевод между этими единицами осуществляется через элементарные математические операции. Однако большее применение имеет именно единица измерения по СИ.

Помимо стандартной формулы, используемой лишь для твёрдых веществ, существует и формула для газа в нормальных условиях (н.у.) .

ρ (газа) = M/Vm

M - молярная масса газа [г/моль], Vm - молярный объём газа (при нормальных условиях эта величина равна 22,4 л/моль).

Чтобы более полно определить данное понятие, стоит уточнить, какая именно величина имеется в виду .

• Плотность однородных тел - это именно отношение массы тела к его объёму.
• Также есть понятие «плотность вещества», то есть плотность однородного или равномерно распределённого неоднородного тела, состоящего из этого вещества. Это величина постоянна. Существуют таблицы (которыми вы наверняка пользовали на уроках физики), в которых собраны значения для различных твёрдых, жидких и газообразных веществ. Так, этот показатель для воды равняется 1000 кг/м3. Зная эту величину и, например, объём ванны мы можем определить массу воды, которая в неё поместится, подставив в вышеизложенную форму известные значения.
• Однако не все вещества являются однородными. Для таких создан термин «средняя плотность тела». Чтобы вывести это значение, необходимо узнать ρ каждого компонента данного вещества в отдельности и высчитать среднюю величину.

Пористые и сыпучие тела, помимо прочего, имеют:

• Истинную плотность, которая определяется без учёта пустот в структуре.
• Удельную (кажущуюся) плотность, которую можно рассчитать путём деления массы вещества на весь занимаемый им объём.

Эти две величины связаны между собой коэффициентом пористости - отношения объёма пустот (пор) к общему объёму исследуемого тела.

Плотность веществ может зависеть от ряда факторов, причём некоторые из них одновременно могут повышать эту величину для одних веществ и понижать - для других. Например, при низкой температуре обычно происходит увеличение данной величины, однако, существует ряд веществ, чья плотность в определённом температурном диапазоне ведёт себя аномально. К этим веществам относят чугун, воду и бронзу (сплав меди с оловом).

Например, ρ воды имеет самый большой показатель при температуре 4 °C, а затем относительно этого значения может изменяться как при нагреве, так и при охлаждении.

Также стоит сказать о том, что при переходе вещества из одной среды в другую (твёрдое-жидкое-газообразное), то есть при смене агрегатного состояния ρ тоже меняет своё значение и делает это скачками: нарастает при переходе из газа в жидкость и при кристаллизации жидкости. Однако и здесь существует ряд исключений. К примеру, висмут и кремний имеют маленькое значение при затвердевании. Интересный факт: вода при кристаллизации, то есть при превращении в лёд, также уменьшает свои показатели, и именно поэтому лёд не тонет в воде.

Как легко посчитать плотность различных тел

Нам понадобится следующее оборудование :

• Весы.
• Сантиметр (мерка), если исследуемое тело находится в твёрдом агрегатном состоянии.
• Мерная колба, если исследуемое вещество - жидкость.

Для начала мы измеряем объём исследуемого тела с помощью сантиметра или мерной колбы. В случае с жидкостью мы просто смотрим на имеющуюся шкалу и записываем результат. Для деревянного бруса кубической формы она, соответственно, будет равняться значению стороны, возведённому в третью степень. Измерив объём, ставим исследуемое тело на весы и записываем значение массы. Важно! Если вы исследуете жидкость, не забудьте учесть массу сосуда, в который налито исследуемое тело. Подставляем экспериментально полученные значения в формулу, описанную выше, и рассчитываем нужный показатель.

Нужно сказать, что данный показатель для различных газов без специальных приборов вычислить гораздо труднее, поэтому, если вам понадобятся их значения, лучше воспользуйтесь готовыми значениями из таблицы плотности веществ.

Также для измерения данной величины используются специальные приборы:

• Пикнометр показывает истинную плотность.
• Ареометр предназначен для измерения данного показателя у жидкостей.
• Бурик Качинского и бур Зайдельмана - устройства, с помощью которых исследуют почвы.
• Вибрационный плотномер применяют для измерения данной величины жидкости и различных газов, находящихся под давлением.

В химических лабораториях очень часто приходится определять плотность. В литературе -прежних лет и в справочниках старых изданий приводятся таблицы удельных весов растворов и твердых тел. Этой величиной пользовались вместо плотности, являющейся одной из важнейших физических величин, которыми характеризуют свойства вещества.

Плотностью вещества называют отношение массы тела к его объему:

Следовательно, плотность вещества выражают * в г/см3. Удельным весом у называют отношение веса (силы тяжести) вещества к объему:

Плотность и удельный вес вещества находятся в такой же зависимости между собой, как масса и вес, т. е.

где g - местное значение ускорения силы тяжести при свободном падении. Таким образом, размерность удельного веса "(г/см2 сек2) и плотности (г/см3), а также их числовые значения, выраженные в одной системе единиц, отличаются друг от друга *.

Плотность тела не зависит от его местонахождения на Земле, в то время как удельный вес изменяется в зависимости от того, в каком месте Земли его измерить.

В ряде случаев предпочитают пользоваться так называемой относительной плотностью, представляющей собой отношение плотности данного вещества к плотности другого вещества при определенных условиях. Относительная плотность выражается отвлеченным числом.

Относительную плотность d жидких и твердых веществ принято определять по отношению к плотности дистиллированной воды:

Само собой разумеется, что р и рв должны выражаться одинаковыми единицами.

Относительную плотность d можно также выражать отношением массы взятого вещества к массе дистиллированной воды, взятой в том же объеме, что и вещество, при определенных, постоянных условиях.

Поскольку числовые значения как относительной плотности, так и относительного удельного веса при указанных постоянных условиях являются одинаковыми, пользоваться таблицами относительных удельных весов в справочниках можно так же, как если бы это были таблицы плотности.

Относительная плотность является постоянной величиной для каждого химически однородного вещества и для растворов при данной температуре. Поэтому по

* В ряде случаев плотность выражают в г/мл. Различие между числовыми значениями плотности, выраженными в г/см3 и г/мл, очень незначительно. Его следует принимать во внимание лишь при работах особой точности.

Поэтому по величине относительной плотности во многих случаях можно судить о концентрации вещества в растворе.

* В технической системе единиц (MKXCC). в которой за основную единицу принята не единица массы, а единица силы - килограмм-сила (кГ или кгс), удельный вес выражается в кГ/м3 или Г/см3. Следует отметить, что числовые значения удельного веси, измеренного в Г/см3, и плотности, измеренной в г/см3, совпадают, что нередко вызывает путаницу в понятиях «плотность» и «удельный вес».

Обычно плотность раствора увеличивается с увеличением концентрации растворенного вещества (если оно само имеет плотность больше, чем растворитель). Но имеются вещества, для которых увеличение плотности с увеличением концентрации идет только до известного предела, после которого при увеличении концентрации происходит уменьшение плотности.

Например, серная кислота имеет наивысшую плотность, равную 1,8415 при концентрации 97,35%. Дальнейшее увеличение концентрации сопровождается уменьшением плотности до 1,8315, что соответствует 99,31%.

Уксусная кислота имеет максимальную плотность при концентрации 77- 79%, а 100%-ная уксусная кислота имеет ту же плотность, что и 41%-ная.

Относительная плотность зависит от температуры, при которой ее определяют. Поэтому всегда указывают температуру, при которой делали определение, и температуру воды (объем взят за единицу). В справочниках это показывают при помощи соответствующих индексов, например eft; приведенное обозначение указывает, что относительная плотность определена при температуре 2O0C и за единицу для сравнения взята плотность воды при температуре 4е С. Встречаются также и другие индексы, обозначающие условия, при которых производилось определение относительной плотности, например Я4 Ul и т. д.

Изменение относительной плотности 90%-ной серной кислоты в зависимости от температуры окружающей среды приводится ниже:

Относительная плотность с повышением температуры уменьшается, с понижением ее -увеличивается.

При определении относительной плотности необходимо отмечать температуру, при которой оно проведено, и полученные величины сравнивать с табличными данны-, ми, определенными при той_же температуре.

Если измерение проведено не при той температуре, которая указана в справочнике, то. вводят поправку, вычисляемую как среднее изменение относительной плотпости на один градус. Например, если в интервале между 15 и 20 0C относительная плотность 90%-ной серной кислоты уменьшается на 1,8198-1,8144 = 0,0054, то в среднем можно принять, что при изменении температуры на 1 0С (выше 15 0C) относительная плотность уменьшается на 0,0054: 5 = 0,0011.

Таким образом, если определение вести при 18 0C, то относительная плотность указанного раствора должна быть равна:

Однако для введения температурной поправки к относительной плотности удобнее пользоваться приведенной ниже номограммой (рис. 488). Эта номограмма, кроме того, дает возможность но известной относительной плотности, вычисленной при стандартной температуре 20° С, приближенно определять относительную плотность при других температурах, в чем иногда может возникнуть потребность.Относительную плотность жидкостей можно определять при помощи ареометров, пикнометров, специальных весов и т. п.

Определение относительной плотности ареометрами.

Для быстрого определения относительной плотности жидкости применяют так называемые ареометры (рис. 489). Это-стеклянная трубка (рис. 489, а), расширяющаяся внизу и имеющая на конце стеклянный резервуар, заполненный дробью нли специальной массой, (реже - ртутью). В верхней узкой части ареометра имеется шкала с делениями. Чем меньше относительная плотность жидкости, тем глубже погружается в нее ареометр. Поэтому на его шкале вверху нанесено наименьшее значение относительной плотности, которое можно определить данным ареометром, внизу - наибольшее. Например, у ареометров для жидкостей с относительной плотностью меньше единицы внизу стоит 1,000, выше 0,990, еще выше 0,980 и т. д.

Промежутки между цифрами разделены на более мелкие деления, позволяющие определять относительную плотность с точностью до третьего десятичного знака. У наиболее точных ареометров шкала охватывает значения относительной плотности в пределах 0,2-0,4 единицы (например, Для определения плотности от 1,000 до 1,200, от 1,200 до 1,400 и т. д.). Такие ареометры обычно продают в виде наборов, которые дают возможность определять относительную плотность в широком интервале.

Номограмма для введения температурной поправки

Иногда ареометры снабжены термометрами (рис. 489,6), что позволяет одновременно измерять температуру, при которой проводится определение. Для определения относительной плотности при помощи ареометра жидкость наливают в стеклянный цилиндр (рис. 490) емкостью не менее 0,5 л, сходный по форме с мерным, но без носика и делений. Размер цилиндра должен соответствовать размеру ареометра. Наливать жидкость в цилиндр до краев не следует, так как при погружении ареометра жидкость может перелиться через край. Это бывает даже опасно при измерении плотности концентрированных кислот или концентрированных щелочей и пр. Поэтому уровень жидкости в цилиндре должен быть на несколько сантиметров ниже края цилиндра.

Иногда цилиндр для определения плотности имеет вверху желоб, расположенный концентрически, так что если жидкость при погружении ареометра перельется через край, то она не выльется на стол.

Для определения относительной плотности имеются специальные приборы, поддерживающие постоянный уровень жидкости в цилиндре. Схема одного из таких приборов приведена на рис. 491. Это - цилиндр 2, имеющий на определенной высоте отводную трубку 3 для стекания жидкости, вытесняемой ареометром при погружении его в жидкость. Вытесняемая жидкость поступает в трубку 4, имеющую кран 5, через который жидкость может быть слита. Цилиндр можно наполнять исследуемой жидкостью через уравнительную трубку /, имеющую в верхней части цилиндрическое расширение.