Nadat de studenten kennis hebben gemaakt met het concept van massa en volume van stoffen in de natuurkunde, bestuderen ze een belangrijk kenmerk van elk lichaam, dat dichtheid wordt genoemd. Aan deze waarde is onderstaand artikel gewijd. De vragen over de fysieke betekenis van dichtheid worden hieronder onthuld. De dichtheidsformule wordt ook gegeven. Methoden voor de experimentele meting worden beschreven.
Het concept van dichtheid
Laten we het artikel beginnen met een directe opname van de formule voor de dichtheid van materie. Het ziet er zo uit:
ρ=m / V.
Hier is m de massa van het beschouwde lichaam. Het wordt uitgedrukt in het SI-systeem in kilogram. In taken en in de praktijk kun je ook andere meeteenheden vinden, bijvoorbeeld gram of ton.
Het symbool V in de formule geeft het volume aan dat de geometrische parameters van het lichaam kenmerkt. Het wordt gemeten in SI in kubieke meters, maar er worden ook kubieke kilometers, liters, milliliters, enz. gebruikt.
De dichtheidsformule laat zien welke massa van een stof zich in een eenheid bevindtvolume. Met behulp van de waarde van ρ kan men inschatten welke van de twee lichamen een groter gewicht zal hebben met gelijke volumes, of welke van de twee lichamen een groter volume zal hebben met gelijke massa's. Hout is bijvoorbeeld minder dicht dan ijzer. Daarom, met gelijke volumes van deze stoffen, zal de massa van ijzer dezelfde waarde voor een boom aanzienlijk overschrijden.
Het concept van relatieve dichtheid
Alleen al de naam van deze hoeveelheid geeft aan dat de waarde die wordt bestudeerd voor het ene lichaam zal worden beschouwd als relatief ten opzichte van een vergelijkbare eigenschap voor een ander. De formule voor relatieve dichtheid ρr ziet er als volgt uit:
ρr=ρs / ρ0.
Waar ρs de dichtheid van het gemeten materiaal is, is ρ0 de dichtheid waartegen de waarde ρ r wordt gemeten . Het is duidelijk dat ρr dimensieloos is. Het laat zien hoe vaak de gemeten stof dichter is dan de geselecteerde standaard.
Voor vloeistoffen en vaste stoffen, standaard ρ0 kies deze waarde voor gedestilleerd water met een temperatuur van 4 oC. Het is bij deze temperatuur dat water een maximale dichtheid heeft, wat een handige waarde is voor berekeningen - 1000 kg/m3 of 1 kg/l.
Voor gassystemen is het gebruikelijk om standaard luchtdichtheid bij atmosferische druk en temperatuur 0 te gebruiken oC.
Afhankelijkheid van dichtheid van druk en temperatuur
De bestudeerde waarde is niet constant voor een bepaald lichaam,als u de temperatuur of externe druk verandert. Vloeistoffen en vaste stoffen zijn echter in veel situaties onsamendrukbaar, wat betekent dat hun dichtheid constant blijft, zowel bij druk- als temperatuurveranderingen.
De invloed van druk manifesteert zich als volgt: wanneer deze toeneemt, nemen de gemiddelde interatomaire en intermoleculaire afstanden af, waardoor het aantal mol van een stof per volume-eenheid toeneemt. De dichtheid neemt dus toe. Een duidelijke invloed van druk op de onderzochte eigenschap wordt waargenomen in het geval van gassen.
Temperatuur heeft het tegenovergestelde effect van druk. Met een toename van de temperatuur neemt de kinetische energie van materiedeeltjes toe, ze beginnen actiever te bewegen, wat leidt tot een toename van de gemiddelde afstanden tussen hen. Dit laatste feit leidt tot een afname van de dichtheid.
Nogmaals, dit effect is meer uitgesproken voor gassen dan voor vloeistoffen en vaste stoffen. Er is een uitzondering op deze regel - dit is water. Er is experimenteel vastgesteld dat in het temperatuurbereik 0-4 oС de dichtheid toeneemt met verwarming.
Homogene en inhomogene lichamen
De hierboven geschreven dichtheidsformule komt overeen met het zogenaamde gemiddelde ρ voor het beschouwde lichaam. Als we er een klein volume in toewijzen, dan kan de berekende waarde ρi sterk verschillen van de vorige waarde. Dit feit hangt samen met de aanwezigheid van een niet-uniforme verdeling van massa over volume. In dit geval is de dichtheidρi heet lokaal.
Gezien de kwestie van de niet-uniforme verdeling van materie, lijkt het interessant om één punt te verduidelijken. Wanneer we een elementair volume beginnen te beschouwen dat dicht bij atomaire schalen ligt, wordt het concept van medium continuïteit geschonden, wat betekent dat het geen zin heeft om de lokale dichtheidskarakteristiek te gebruiken. Het is bekend dat bijna de gehele massa van een atoom geconcentreerd is in zijn kern, waarvan de straal ongeveer 10-13 meter is. De dichtheid van de kern wordt geschat met een enorm cijfer. Dit is 2, 31017 kg/m3.
Dichtheidsmeting
Hierboven werd aangetoond dat volgens de formule de dichtheid gelijk is aan de verhouding van massa tot volume. Dit feit stelt ons in staat om de gespecificeerde eigenschap te bepalen door simpelweg het lichaam te wegen en de geometrische parameters te meten.
Als de vorm van het lichaam erg complex is, is hydrostatisch wegen de universele methode voor het bepalen van de dichtheid. Het is gebaseerd op het gebruik van Archimedische kracht. De essentie van de methode is eenvoudig. Het lichaam wordt eerst in lucht gewogen en daarna in water. Het verschil in gewicht wordt gebruikt om de onbekende dichtheid te berekenen. Gebruik hiervoor de volgende formule:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
waar P0, Pl - lichaamsgewicht in lucht en vloeistof. Dienovereenkomstig is ρl de dichtheid van de vloeistof.
De methode van hydrostatisch wegen om de dichtheid te bepalen, werd volgens de legende voor het eerst gebruikt door een filosoof uit SyracuseArchimedes. Hij was in staat, zonder de fysieke integriteit van de kroon te schenden, vast te stellen dat niet alleen goud, maar ook andere minder dichte metalen werden gebruikt om het te maken.
