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.
Инструкция
Зная две вышеуказанные величины, можно записать формулу для расчета плотности вещества : плотность = масса / объем, отсюда и получается искомой величины. Пример. Известно, что льдина объемом 2 кубических метра 1800 кг. Найти плотность льда. Решение: плотность равна 1800 кг/2 метра в кубе, получается 900 кг, деленных на кубические . Иногда приходиться переводить единицы плотности друг в друга. Чтобы не запутаться, следует помнить: 1г/см в кубе равен 1000 кг/м в кубе. Пример: 5,6 г/см в кубе равен 5,6*1000 = 5600 кг/м в кубе.
Воду, как и любую жидкость, не всегда можно взвесить на весах. Но узнать массу бывает необходимо как на некоторых производствах, так и в обычных житейских ситуациях, от расчета резервуаров до решения вопроса, какой запас воды вы можете взять с собой в байдарку или резиновую лодку. Для того, чтобы вычислить массу воды или любой жидкости, помещенной в тот или иной объем, прежде всего необходимо знать ее плотность.
Вам понадобится
- Мерная посуда
- Линейка, рулетка или любой другой измерительный прибор
- Сосуд для переливания воды
Инструкция
Если вам нужно вычислить массу воды в небольшом сосуде, это можно сделать с помощью обычных весов. Взвесьте сначала сосуд вместе с . Затем перелейте воду в другую посуду. После этого взвесьте пустой сосуд. Из полного сосуда вычтите массу пустого. Это и будет содержавшейся в сосуде воды . Таким образом можно массу не только жидких, но и сыпучих , если есть возможность их пересыпать в другую посуду. Такой способ иногда еще можно наблюдать в некоторых магазинах, где нет оборудования. Продавец сначала взвешивает пустую банку или бутылку, затем заполняет ее сметаной, взвешивает снова, определяет вес сметаны и только после этого рассчитывает ее стоимость.
Для того, чтобы определить массу воды в сосуде, который невозможно взвесить, необходимо знать два параметра - воды (или любой другой жидкости) и объем сосуда. Плотность воды составляет 1 г/мл. Плотность другой жидкости можно найти в специальной таблице, которая обычно в справочниках по .
Если нет мерной посуды, в которую можно перелить воду, вычислите объем сосуда, в котором она находится. Объем всегда равен произведению площади основания на высоту, и с сосудами постой формы обычно проблем не возникает. Объем воды в банке будет равен площади круглого основания на высоту, заполненную водой. Умножив плотность? на объем воды V, вы получите массу воды m: m=?*V.
Видео по теме
Обратите внимание
Определить массу можно и зная количество воды и ее молярную массу. Молярная масса воды равна 18, поскольку состоит из молярных масс 2 атомов водорода и 1 атома кислорода. MH2O = 2MH+MO=2·1+16=18 (г/моль). m=n*M, где m – масса воды, n – количество, M – молярная масса.
Все вещества имеют определенную плотность. В зависимости от занимаемого объема и заданной массы, вычисляется плотность. Она находится, исходя из экспериментальных данных и числовых преобразований. Кроме того, плотность зависит от множества различных факторов, в связи с которыми изменяется ее постоянное значение.
Инструкция
Представьте себе, что дан некоторый сосуд, до краев заполненный водой. В задаче необходимо найти плотность воды, при этом не зная ни массы, ни объема. Для того, чтобы вычислить плотность, следует найти оба параметра экспериментально. Начните с определения массы.
Возьмите сосуд и поставьте его на весы. Затем выльете из него воду, после чего снова поставьте сосуд на те же весы. Сравните результаты измерений и получите формулу для нахождения массы воды:
mоб.- mс.=mв., где mоб. - масса сосуда с водой (общая масса), mс - масса сосуда без воды.
Второе, что потребуется найти - воды. Перелейте воду в мерный сосуд, затем по имеющейся на нем шкале определите, объем воды содержался в сосуде. Лишь после этого по формуле найдите плотность воды:
ρ=m/V
С помощью этого опыта можно лишь приблизительно определить плотность воды. Однако, под воздействием некоторых факторов она может . Ознакомьтесь с наиболее важными из таких факторов.
При температуре воды t=4 °C вода имеет плотность ρ=1000 кг/м^3 или 1 г/см^3. При изменении меняется и плотность. Помимо этого, к факторам, влияющим на плотность
Поставим на чашки весов железный и алюминиевый цилиндры одинакового объема. Равновесие весов нарушилось. Почему?
Нарушение равновесия означает, что массы тел не одинаковы. Масса железного цилиндра больше массы алюминиевого. Но объемы у цилиндров равны. Значит, единица объема (1 см 3 или 1 м 3) железа имеет большую массу, чем алюминия.
Масса вещества, содержащегося в единице объема, называется плотностью вещества .
Чтобы найти плотность, необходимо массу вещества разделить на его объем. Плотность обозначается греческой буквой ρ (ро). Тогда
плотность = масса / объем,
ρ = m /V .
Единицей измерения плотности в СИ является 1 кг/м 3 . Плотности различных веществ определены на опыте и представлены в таблице:
| Вещество | ρ, кг/м 3 | ρ, г/см 3 |
|---|---|---|
| Вещество в твердом состоянии при 20 °C | ||
| Осмий | 22600 | 22,6 |
| Иридий | 22400 | 22,4 |
| Платина | 21500 | 21,5 |
| Золото | 19300 | 19,3 |
| Свинец | 11300 | 11,3 |
| Серебро | 10500 | 10,5 |
| Медь | 8900 | 8,9 |
| Латунь | 8500 | 8,5 |
| Сталь, железо | 7800 | 7,8 |
| Олово | 7300 | 7,3 |
| Цинк | 7100 | 7,1 |
| Чугун | 7000 | 7,0 |
| Корунд | 4000 | 4,0 |
| Алюминий | 2700 | 2,7 |
| Мрамор | 2700 | 2,7 |
| Стекло оконное | 2500 | 2,5 |
| Фарфор | 2300 | 2,3 |
| Бетон | 2300 | 2,3 |
| Соль поваренная | 2200 | 2,2 |
| Кирпич | 1800 | 1,8 |
| Оргстекло | 1200 | 1,2 |
| Капрон | 1100 | 1,1 |
| Полиэтилен | 920 | 0,92 |
| Парафин | 900 | 0,90 |
| Лед | 900 | 0,90 |
| Дуб (сухой) | 700 | 0,70 |
| Сосна (сухая) | 400 | 0,40 |
| Пробка | 240 | 0,24 |
| Жидкость при 20 °C | ||
| Ртуть | 13600 | 13,60 |
| Серная кислота | 1800 | 1,80 |
| Глицерин | 1200 | 1,20 |
| Вода морская | 1030 | 1,03 |
| Вода | 1000 | 1,00 |
| Масло подсолнечное | 930 | 0,93 |
| Масло машинное | 900 | 0,90 |
| Керосин | 800 | 0,80 |
| Спирт | 800 | 0,80 |
| Нефть | 800 | 0,80 |
| Ацетон | 790 | 0,79 |
| Эфир | 710 | 0,71 |
| Бензин | 710 | 0,71 |
| Жидкое олово (при t = 400 °C) | 6800 | 6,80 |
| Жидкий воздух (при t = -194 °C) | 860 | 0,86 |
| Газ при 20 °C | ||
| Хлор | 3,210 | 0,00321 |
| Оксид углерода (IV) (углекислый газ) | 1,980 | 0,00198 |
| Кислород | 1,430 | 0,00143 |
| Воздух | 1,290 | 0,00129 |
| Азот | 1,250 | 0,00125 |
| Оксид углерода (II) (угарный газ) | 1,250 | 0,00125 |
| Природный газ | 0,800 | 0,0008 |
| Водяной пар (при t = 100 °C) | 0,590 | 0,00059 |
| Гелий | 0,180 | 0,00018 |
| Водород | 0,090 | 0,00009 |
Как понимать, что плотность воды ρ = 1000 кг/м 3 ? Ответ на этот вопрос следует из формулы. Масса воды в объеме V = 1 м 3 равна m = 1000 кг.
Из формулы плотности масса вещества
m = ρV .
Из двух тел равного объема большую массу имеет то тело, у которого плотность вещества больше.
Сравнивая плотности железа ρ ж = 7800 кг/м 3 и алюминия ρ ал = 2700 кг/м 3 , мы понимаем, почему в опыте масса железного цилиндра оказалась больше массы алюминиевого цилиндра такого же объема.
Если объем тела измерен в см 3 , то для определения массы тела удобно использовать значение плотности ρ, выраженное в г/cм 3 .
Переведем, например, плотность воды из кг/м 3 в г/см 3:
ρ в = 1000 кг/м 3 = 1000 \(\frac{1000~г}{1000000~см^{3}}\) = 1 г/см 3 .
Итак, численное значение плотности любого вещества, выраженное в г/см 3 , в 1000 раз меньше численного ее значения, выраженного в кг/м 3 .
Формула плотности вещества ρ = m /V применяется для однородных тел, т. е. для тел, состоящих из одного вещества. Это тела, не имеющие воздушных полостей или не содержащие примесей других веществ. По значению измеренной плотности судят о чистоте вещества. Не добавлен ли, например, внутрь слитка золота какой-либо дешевый металл.
Как правило, вещество в твердом состоянии имеет плотность большую, чем в жидком. Исключением из этого правила являются лед и вода, состоящие из молекул H 2 O. Плотность льда ρ = 900 кг 3 , плотность воды ρ = 1000 кг 3 . Плотность льда меньше плотности воды, что указывает на менее плотную упаковку молекул (т. е. большие расстояния между ними) в твердом состоянии вещества (лед), чем в жидком (вода). В дальнейшем вы встретитесь и с другими весьма интересными аномалиями (ненормальностями) в свойствах воды.
Средняя плотность Земли равна примерно 5,5 г/см 3 . Этот и другие известные науке факты позволили сделать некоторые выводы о строении Земли. Средняя толщина земной коры около 33 км. Земная кора сложена преимущественно из почвы и горных пород. Средняя плотность земной коры равна 2,7 г/см 3 , а плотность пород, залегающих непосредственно под земной корой, - 3,3 г/см 3 . Но обе эти величины меньше 5,5 г/cм 3 , т. е. меньше средней плотности Земли. Отсюда следует, что плотность вещества, находящегося в глубине земного шара, больше средней плотности Земли. Ученые предполагают, что в центре Земли плотность вещества достигает значения 11,5 г/см 3 , т. е. приближается к плотности свинца.
Средняя плотность тканей тела человека равна 1036 кг/м 3 , плотность крови (при t = 20 °C) - 1050 кг/м 3 .
Малую плотность древесины (в 2 раза меньше, чем пробки) имеет дерево бальса . Из него делают плоты, спасательные пояса. На Кубе растет дерево эшиномена колючеволосая , древесина которой имеет плотность в 25 раз меньше плотности воды, т. е. ρ ≈ 0,04 г/см 3 . Очень большая плотность древесины у змеиного дерева . Дерево тонет в воде, как камень.
Напоследок легенда об Архимеде.
Уже при жизни знаменитого древнегреческого ученого Архимеда о нем слагались легенды, поводом для которых служили его изобретения, поражавшие современников. Одна из легенд гласит, что сиракузский царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона или ювелир подмешал туда значительное количество серебра. Конечно же, корона при этом должна была остаться целой. Определить массу короны Архимеду труда не составило. Гораздо сложнее было точно измерить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Трудность состояла в том, что она имела неправильную форму!
Как-то Архимед, поглощенный мыслями о короне, принимал ванну, где ему пришла в голову блестящая идея. Объем короны можно определить, измерив объем вытесненной ею воды (вам знаком такой способ измерения объема тела неправильной формы). Определив объем короны и ее массу, Архимед вычислил плотность вещества, из которого ювелир изготовил корону.
Как гласит легенда, плотность вещества короны оказалась меньше плотности чистого золота, и нечистый на руку ювелир был уличен в обмане.
Читать далее
| ← Масса. Единица массы | ... → |
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Плотностью называется количество вещества, приходящееся в среднем на единичный объем тела.
Это количество можно определять по-разному. Если речь идет о числе частиц, то говорят о плотности частиц. Эту величину обозначают буквой n . В СИ она измеряется в м -3 . Если имеется ввиду масса вещества, то вводят плотность массы. Её обозначают через . В Си измеряется в кг/м 3 . Между и n существует связь. Так, если тело состоит из частиц одного сорта, то
= m ×n ,
где m - масса одной частицы.
Плотность массы можно вычислить по формуле:
Данное выражение можно преобразовать так, чтобы получилась формула массы через объем и плотность:
Таблица 1. Плотности некоторых веществ.
|
Вещество |
Плотность, кг/м 3 |
Вещество |
Плотность, кг/м 3 |
|
Вещества атомного ядра |
|||
|
Сжатые газы в центре самых плотных звезд |
Жидкий водород |
||
|
Воздух у поверхности Земли |
|||
|
Воздух на высоте 20 км |
|||
|
Сжатое железо в ядре Земли |
Наивысший искусственный вакуум |
||
|
(7,6 - 7,8)×10 3 |
Газы межзвездного пространства |
||
|
Газы межгалактического пространства |
|||
|
Алюминий |
|||
|
Человеческое тело |
Независимо от степени сжатия плотности жидких и твердых тел лежат в весьма узком интервале значений (табл. 1). Плотности же газов варьируются в весьма широких пределах. Причина заключается в том, что как в твердых телах, так и в жидкостях частицы вплотную примыкают друг к другу. В этих средах расстояние между соседними частицами составляет величину порядка 1 А и сравнимо с размерами атомов и молекул. По этой причине твердые и жидкие тела обладают очень малой сжимаемостью, чем обусловлено малое различие в их плотности. В газах положение иное. Среднее расстояние между частицами значительно превышает их размеры. Например, для воздуха у поверхности Земли оно составляет 10 2 А. Вследствие этого газы обладают большой сжимаемостью, а их плотность может изменяться в очень широких пределах.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Определите молярную концентрацию и массовую долю хлорида натрия в растворе, полученном растворением 14,36 г сухой соли в 100 мл воды (плотность раствора 1,146 г/мл). |
| Решение | Первоначально находим массу раствора:
m solution = m(NaCl) + m(H 2 O); m(H 2 O) = r(H 2 O) ×V(H 2 O); m(H 2 O) = 1 × 100 = 100 г. m solution = 14,63 + 100 = 114,63 г. Рассчитаем массовую долю хлорида натрия в растворе: w(NaCl) = m(NaCl) / m solution ; w(NaCl) = 14,63 / 114,63 = 0,1276 (12,76%). Найдем объем раствора и количество вещества хлорида натрия в нем: V solution = m solution / r solution ; V solution = 114,63 / 1,146 = 100 мл = 0,1 л. n(NaCl) = m(NaCl) / M(NaCl); M(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = 23 + 35,5 = 58,5 г/моль; n(NaCl) = 14,63 / 58,5 = 0,25 моль. Тогда, молярная концентрация раствора хлорида натрия в воде будет равна: C(NaCl) = n(NaCl) / V solution ; C(NaCl) = 0,25 / 0,1 = 2,5 моль/л. |
| Ответ | Массовая доля хлорида натрия в растворе равна 12,76%, а молярная концентрация раствора хлорида натрия в воде — 2,5 моль/л. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Какую массу медного купороса можно получить упариванием 300 мл раствора сульфата меди с массовой долей сульфата меди 15% и плотностью 1,15 г/мл? |
| Решение | Найдем массу раствора:
m solution = V solution ×r solution ; m solution = 300 × 1,15 = 345 г. Рассчитаем массу растворенного сульфата меди: w(CuSO 4) = m(CuSO 4) / m solution ; m(CuSO 4) = m solution ×w(CuSO 4); m(CuSO 4) = 345 × 0,15 = 51,75 г. Определим количество вещества сульфата меди: n(CuSO 4) = m(CuSO 4) / M(CuSO 4); M(CuSO 4) = Ar(Cu) + Ar(S) + 4 ×Ar(O) = 64 + 32 + 4 × 16 = 98 + 64 = 160 г/моль; n(CuSO 4) = 51,75 / 160 = 0,3234 моль. В одном моле медного купороса (CuSO 4 × 5H 2 O) содержится 1 моль сульфата меди, поэтому n(CuSO 4) = n(CuSO 4 × 5H 2 O) = 0,3234 моль. Найдем массу медного купороса: m(CuSO 4 × 5H 2 O) = n(CuSO 4 × 5H 2 O) ×M(CuSO 4 × 5H 2 O); M(CuSO 4 × 5H 2 O) = M(CuSO 4) + 5 × M(H 2 O); M(H 2 O) = 2 ×Ar(H) + Ar(O) = 2 × 1 + 16 = 2 + 16 = 18 г/моль; M(CuSO 4 × 5H 2 O) = 160 + 5 × 18 = 160 + 90 = 250 г/моль; m(CuSO 4 × 5H 2 O) = 0,3234 × 250 = 80,85 г. |
| Ответ | Масса медного купороса 80,85 г. |