Cantitatea fizică "densitate". Cum se găsește densitatea în mod experimental și teoretic?

Luați în considerare în articol cum să găsiți densitatea, și ce sunt. În proiectarea multor structuri și vehicule, se iau în considerare o serie de caracteristici fizice pe care trebuie să le posede un anumit material. Unul dintre acestea este densitatea.

Masa și volumul

Să descifrăm semnificația celor două mărimi fizice direct legate de ea, masa și volumul. Înainte de a răspunde la întrebarea cum să aflăm densitatea unei mase...

Masa este acea caracteristică care descrie proprietățile inerțiale ale corpurilor și capacitatea lor de a exercita o atracție gravitațională unul asupra celuilalt. Masa se măsoară în kilograme în sistemul SI.

Conceptele de masă inerțială și gravitațională au fost introduse pentru prima dată în fizică de către Isaac Newton în formularea legilor mecanicii și gravitației universale.

Volumul este o caracteristică pur geometrică a unui corp și cuantifică cantitatea de spațiu pe care acesta o ocupă. Volumul se măsoară în unități de lungime cubică, de exemplu, unitatea SI m=m.cub.

Pentru corpurile de formă cunoscută (paralelipiped, bilă, piramidă) această cantitate poate fi determinată prin formule speciale, în timp ce pentru obiectele de formă geometrică neregulată volumul se determină prin scufundarea lor într-un lichid.

Densitatea mărimii fizice

Acum putem trece direct la răspunsul la întrebarea cum se găsește densitatea. Această caracteristică este definită ca fiind raportul dintre masa unui corp și volumul pe care îl ocupă, care se înregistrează matematic sub forma

ρ = m/V.

Această ecuație indică unitatea de măsură a lui ρ (kg/m)³). Astfel, masa și volumul sunt legate prin egalitate, iar valoarea ρ pentru orice material arată concentrația volumetrică a masei sale.

Pentru a da un exemplu simplu: dacă luați în mână o minge de plastic și o minge de fier de aceeași mărime, cea de-a doua va avea o greutate mult mai mare decât prima. Acest fapt este legat de densitatea mare a fierului în comparație cu cea a plasticului.

Unul dintre aspectele fundamentale ale relației dintre densități în natură va fi flotabilitatea corpurilor. Dacă un corp are o densitate mai mică decât un lichid, acesta nu se va scufunda niciodată în el.

Densitatea materialelor

Când vorbim despre densitatea anumitor materiale, ne referim la solide. Gazele și lichidele au, de asemenea, o anumită densitate, dar nu vom vorbi despre ele aici.

Materialele solide pot fi fie cristaline, fie amorfe. Valoarea lui ρ depinde de structura, de distanțele interatomice și de greutățile atomice și moleculare ale materialelor. De exemplu, toate metalele sunt cristale, iar sticla sau lemnul sunt amorfe. Mai jos este un tabel care arată densitatea diferitelor tipuri de lemn.

Vă rugăm să rețineți că în acest caz densitatea medie este dată de. În viața reală, fiecare copac are propriile sale caracteristici unice, inclusiv goluri, pori și prezența unui anumit procent de umiditate în lemn.

Iată un alt tabel. În el, în g/cm³ densitățile date ale tuturor elementelor chimice pure la temperatura camerei.

Din tabel se poate observa că toate elementele au o densitate mai mare decât apa. Singurele excepții sunt trei metale, litiul, potasiul și sodiul, care nu se scufundă, ci plutesc la suprafața apei.

Cum se măsoară experimental densitatea??

În esență, există două tehnici de determinare a caracteristicii studiate. Primul presupune cântărirea directă a corpului și măsurarea dimensiunilor sale liniare.

Cu toate acestea, în cazul în care forma geometrică este complexă, se utilizează metoda hidrostatică.

Ideea este următoarea: mai întâi cântărim corpul în aer și apoi îl cântărim la suprafață. Să presupunem că ponderea obținută este P₁. după care corpul este cântărit într-un lichid cu densitatea cunoscută ρ_l. Fie greutatea unui corp într-un lichid P₂. Atunci densitatea ρ a materialului investigat este ρ:

ρ = ρ_l*P₁/(P₁-P₂).

Această formulă poate fi obținută chiar de fiecare școlar, dacă se ia în considerare legea lui Arhimede pentru cazul descris.

Din punct de vedere istoric, se crede că cântărirea hidrostatică a fost folosită pentru prima dată de filosoful grec Arhimede pentru a determina falsurile coroanei de aur. Primele cântare hidrostatice au fost inventate de Galileo Galilei la sfârșitul secolului al XVI-lea. În prezent, picnometrele electronice și densimetrele sunt utilizate pe scară largă pentru determinarea experimentală a valorii ρ a lichidelor, solidelor și gazelor.

Determinarea teoretică a densității

Mai sus am abordat problema modului în care se poate afla experimental densitatea. Cu toate acestea, este posibil să se afle teoretic densitatea ρ a unui material necunoscut. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoaștem tipul de rețea, parametrii rețelei și masele atomilor care o formează. Deoarece fiecare rețea cristalină elementară are o formă geometrică definită, nu este dificil de derivat formula pentru volumul său.

În cazul în care un material cristalin este format din mai multe elemente chimice, de exemplu aliaje metalice, densitatea sa medie poate fi determinată prin următoarea formulă simplă:

ρ = ∑m_i/∑(m_i/ρ_i).

Unde m_i, ρ_i - masa și, respectiv, densitatea celui de-al i-lea component.

În cazul în care un material are o structură amorfă, nu este posibilă determinarea teoretică precisă a densității sale și trebuie utilizate tehnici experimentale.