Формула щільності речовини. Формули відносної щільності

Після того як школярі познайомилися з поняттям маси і обсягу речовин у фізиці, вони вивчають важливу характеристику будь-якого тіла, яка називається щільністю. Наведена нижче стаття присвячена саме цій величині. Нижче розкриваються питання фізичного сенсу щільності. Також наводиться формула щільності. Описуються способи її експериментального вимірювання.

Поняття щільності

Почнемо статтю з безпосереднього запису формули щільності речовини. Вона має наступний вигляд:

ρ = m / V.

Тут m-це маса розглянутого тіла. Вона в системі СІ виражається в кілограмах. У завданнях і на практиці також можна зустріти інші одиниці її виміру, наприклад, грами або тонни.

Символом V у формулі позначений обсяг, який характеризує геометричні параметри тіла. Вимірюється в СІ він в кубічних метрах, однак, також використовуються кубічні кілометри, літри, мілілітри і т. д.

Формула щільності показує, яка маса речовини міститься в одиниці об`єму. За допомогою величини ρ можна оцінити, вага якого з двох тіл буде більше при рівних обсягах, або обсяг якого з двох тіл буде більше при рівних масах. Наприклад, дерево менш щільне, ніж залізо. Тому при рівних обсягах цих речовин маса заліза буде значно перевищувати аналогічну величину для дерева.

Поняття відносної щільності

Вже сама назва цієї величини говорить про те, що досліджувана величина для одного тіла буде розглядатися щодо аналогічної характеристики для іншого. Формула відносної щільності ρ_r має такий вигляд:

ρ_r = ρ_s / ρ₀.

Де ρ_s - щільність вимірюваного матеріалу, ρ₀ - щільність, щодо якої вимірюється величина ρ_r. Очевидно, що ρ_r є безрозмірною. Вона показує, у скільки разів вимірюється речовина щільніше, ніж обраний стандарт.

Для рідин і твердих тіл в якості стандартної ρ₀ вибирають цю величину для дистильованої води при температурі 4 ^oC. Саме при цій температурі вода має максимальну щільність, яка становить зручну для розрахунків величину-1000 кг / м³ або 1 кг / л.

Для газових систем в якості стандартної прийнято використовувати щільність повітря при атмосферному тиску і температурі 0 ^oC.

Залежність щільності від тиску і температури

Досліджувана величина не є постійною для конкретного тіла, якщо змінювати його температуру або зовнішній тиск. Проте, рідини і тверді тіла в багатьох ситуаціях є нестисливими, тобто їх щільність зберігається постійною при зміні тиску, а також при зміні температури.

Вплив тиску проявляється наступним чином: коли воно збільшується, то середні міжатомні і міжмолекулярні відстані зменшуються, що збільшує число молей речовини в одиниці об`єму. Значить, щільність зростає. Явний вплив тиску на досліджувану характеристику спостерігається в разі газів.

Температура надає протилежний тиску ефект. Зі зростанням температури підвищується кінетична енергія частинок матерії, вони починають активніше рухатися, що призводити до підвищення середніх відстаней між ними. Останній факт призводить до зниження щільності.

Знову для газів цей ефект спостерігається більш чітко, ніж для рідин і твердих тіл. З наведеного правила існує виняток-це вода. Експериментально встановлено, що в температурному інтервалі 0-4 ^oЗ її щільність зростає при нагріванні.

Однорідні і неоднорідні тіла

Записана вище формула щільності відповідає так званій середній ρ для розглянутого тіла. Якщо ж виділити в ньому деякий невеликий обсяг, то розрахована величина ρ_i може сильно відрізнятися від попереднього значення. Пов`язаний цей факт з наявністю неоднорідного розподілу маси за обсягом. У такому випадку щільність ρ_i називають локальною.

Розглядаючи питання неоднорідного розподілу речовини, представляється цікавим пояснити один момент. Коли ми починаємо розглядати елементарний обсяг близький до атомних масштабів, то порушується поняття безперервності середовища, а значить, використовувати характеристику локальної щільності не має ніякого сенсу. Відомо, що практично вся маса атома сконцентрована в його ядрі, радіус якого становить близько 10^-13 метр. Щільність ядра оцінюють величезною цифрою. Це 2,3 * 10¹⁷ кг / м³.

Вимірювання щільності

Вище було показано, що відповідно до формули, щільність дорівнює відношенню маси до об`єму. Цей факт дозволяє визначити зазначену характеристику простим зважуванням тіла і вимірюванням його геометричних параметрів.

Якщо форма тіла є дуже складною, то універсальним методом визначення щільності буде гідростатичне зважування. Засноване воно на використанні архімедової сили. Суть методу проста. Спочатку тіло зважують в повітрі, а потім, у воді. Різницю у вазі використовують для обчислення невідомої щільності. Для цього застосовують наступну формулу:

ρ = ρ_l * P₀ / (P₀ - P_l),

де P₀, P_l - вага тіла в повітрі і в рідині. Відповідно, ρ_l - щільність рідини.

Метод гідростатичного зважування для визначення щільності, згідно з легендою, вперше використав філософ з Сіракуз Архімед. Він зміг, не порушуючи фізичну цілісність корони, визначити, що для її виготовлення використовувалося не тільки золото, а й інші менш щільні метали.