Formula pentru densitatea materiei. Formule de densitate relativă

După ce elevii s-au familiarizat cu conceptul de masă și volum în fizică, ei învață o caracteristică importantă a oricărui corp numită densitate. Următorul articol este dedicat tocmai acestei cantități. Semnificația fizică a densității este explicată mai jos. Formula de densitate este, de asemenea, dată. Este descris modul în care poate fi măsurat experimental.

Conceptul de densitate

Să începem articolul prin a scrie direct formula pentru densitatea materiei. Acesta are următoarea formă:

ρ = m / V.

Aici m este masa corpului în cauză. Se exprimă în kilograme în sistemul SI. De asemenea, în aplicații și experimente puteți găsi și alte unități, cum ar fi grame sau tone.

V în formulă denotă volumul, care caracterizează parametrii geometrici ai corpului. Densitatea se măsoară în metri cubi; cu toate acestea, se folosesc și kilometri cubi, litri, mililitri și așa mai departe. д.

Formula densității arată câtă masă a unei substanțe este conținută într-o unitate de volum. Valoarea ρ poate fi folosită pentru a estima care dintre cele două corpuri ar cântări mai mult dacă volumele lor ar fi egale sau care dintre cele două corpuri ar avea un volum mai mare dacă masele lor ar fi egale. De exemplu, lemnul este mai puțin dens decât fierul. Prin urmare, dacă volumele acestor substanțe sunt egale, masa fierului va fi mult mai mare decât cea a lemnului.

Conceptul de densitate relativă

Însuși numele acestei mărimi indică faptul că mărimea care urmează a fi studiată pentru un corp va fi considerată în raport cu o caracteristică similară pentru un alt corp. Formula pentru densitatea relativă ρ_r are această formă:

ρ_r = ρ_s / ρ₀.

unde ρ_s - este densitatea materialului care urmează să fie măsurat, ρ₀ - este densitatea în raport cu care se măsoară valoarea ρ_r. Evident, ρ_r este adimensională. Arată de câte ori este mai densă substanța măsurată decât etalonul selectat.

Pentru lichide și solide, standardul ρ₀ alegeți această valoare pentru apa distilată la 4 ^oC. Este la această temperatura apei are o densitate maximă care este o valoare convenabilă pentru calcul: 1000 kg/m³ sau 1 kg/l.

Pentru sistemele de gaze, se obișnuiește să se utilizeze densitatea aerului la presiunea atmosferică și temperatura de 0 ^oC.

Dependența densității de presiune și temperatură

Cantitatea care trebuie studiată nu este constantă pentru un anumit corp, dacă se modifică temperatura sau presiunea exterioară a acestuia. Cu toate acestea, lichidele și solidele sunt, în multe situații, incompresibile, adică densitatea lor rămâne constantă la schimbarea presiunii și, de asemenea, la schimbarea temperaturii.

Efectul presiunii este următorul: atunci când crește, distanțele medii interatomice și intermoleculare scad, ceea ce crește numărul de moli ai substanței pe unitatea de volum. Astfel, densitatea crește. În cazul gazelor, se observă o influență clară a presiunii asupra caracteristicii studiate.

Temperatura are un efect opus celui al presiunii. Pe măsură ce temperatura crește, energia cinetică a particulelor de materie crește, acestea încep să se miște mai activ, ceea ce duce la o creștere a distanței medii dintre ele. Acest din urmă fapt duce la o reducere a densității.

din nou, acest efect poate fi observat mai clar în cazul gazelor decât în cazul lichidelor și solidelor. O excepție de la această regulă este apa. S-a stabilit experimental că în intervalul de temperatură 0-4 ^oCu densitatea sa crește odată cu încălzirea.

corpuri omogene și neomogene

Formula de densitate scrisă mai sus corespunde așa-numitei medii ρ pentru corpul în cauză. Dacă, totuși, un volum mic este izolat în el, atunci valoarea calculată a lui ρ_i poate fi foarte diferită de valoarea anterioară. Acest fapt este legat de prezența unei distribuții neomogene a masei pe volum. În acest caz, densitatea ρ_i se numește local.

Având în vedere problema distribuției neomogene a materiei, este interesant de clarificat un aspect. Atunci când începem să considerăm un volum elementar apropiat de scara atomică, conceptul de continuitate a mediului este încălcat și, prin urmare, nu are sens să folosim caracteristica densității locale. Se știe că, practic, întreaga masă a unui atom este concentrată în nucleul său, care are o rază de aproximativ 10^-13 metri. Densitatea nucleului este estimată printr-un număr mare de. Este de 2,3 * 10¹⁷ kg/m³.

Măsurarea densității

S-a arătat mai sus că, potrivit formulei, densitatea este egală cu raportul dintre masă și volum. Acest fapt face posibilă determinarea acestei caracteristici prin simpla cântărire a corpului și măsurarea parametrilor geometrici.

În cazul în care forma corpului este foarte complexă, atunci metoda universală Densitatea va fi determinată prin cântărire hidrostatică. Se bazează pe utilizarea forței lui Arhimede. Esența metodei este simplă. Mai întâi se cântărește corpul în aer și apoi în apă. Diferența de greutate este utilizată pentru a calcula densitatea necunoscută. Se aplică următoarea formulă:

ρ = ρ_l * P₀ / (P₀ - P_l),

Unde P₀, P_l - greutatea corpului în aer și în lichid. În consecință, ρ_l - densitatea unui lichid.

Conform legendei, metoda de determinare a densității prin cântărire hidrostatică a fost folosită pentru prima dată de filozoful arhimede din Siracuza. El a reușit, fără a tulbura integritatea fizică a coroanei, să determine că la fabricarea ei s-a folosit nu numai aur, ci și alte metale mai puțin dense.