Informații generale
Densitatea este o proprietate care determină cantitatea de substanță pe masă pe unitatea de volum. În sistemul SI, densitatea este măsurată în kg / m³, dar sunt utilizate și alte unități, de exemplu g / cm3, kg / l și altele. În viața de zi cu zi, cele mai utilizate în mod obișnuit sunt două valori echivalente: g / cm3 și kg / ml.
Factori care afectează densitatea materiei
Densitatea aceleiași substanțe depinde de temperatură și presiune. În mod obișnuit, cu cât este mai mare presiunea, cu atât sunt mai compacte moleculele, ceea ce crește densitatea. În cele mai multe cazuri, o creștere a temperaturii, dimpotrivă, mărește distanța dintre molecule și reduce densitatea. În unele cazuri, această dependență este inversă. Densitatea gheții, de exemplu, este mai mică decât densitatea apei, în ciuda faptului că gheața este mai rece decât apa. Acest lucru poate fi explicat prin structura moleculară a gheții. Multe substanțe, atunci când se schimbă dintr-un lichid într-o stare agregată solidă, modifică structura moleculară astfel încât distanța dintre molecule scade și, respectiv, densitatea crește. În timpul formării gheții, moleculele sunt aliniate într-o structură de cristal, iar distanța dintre ele, dimpotrivă, crește. În acest caz, atracția dintre molecule se schimbă, densitatea scade și crește volumul. În timpul iernii este necesar să nu uităm de această proprietate a gheții - dacă apa din conductele de apă îngheață, atunci se pot rupe.
Gheața plutește la limita dintre apă și un alcool izopropilic mai puțin dens, colorat în albastru.
Densitatea apei
Dacă densitatea materialului din care este făcut obiectul este mai mare decât densitatea apei, acesta este complet scufundat în apă. Materialele cu o densitate mai mică decât cea a apei, dimpotrivă, plutesc la suprafață. Un exemplu bun este gheața cu o densitate mai scăzută decât apa, care plutește într-un pahar pe suprafața apei și a altor băuturi, constând mai ales în apă. Adesea folosim această proprietate a substanțelor în viața de zi cu zi. De exemplu, la proiectarea navelor de navă se utilizează materiale cu o densitate mai mare decât densitatea apei. Deoarece materialele cu o densitate mai mare decât densitatea apei sunt înecate, cavitățile de aer sunt întotdeauna create în coca vasului, deoarece densitatea aerului este mult mai mică decât densitatea apei. Pe de altă parte, uneori este necesar ca obiectul să se înece în apă - în acest scop sunt alese materiale cu o densitate mai mare decât apa. De exemplu, pentru a scufunda o momeală ușoară la o adâncime suficientă în timpul pescuitului, pescari leagă un platou de la materiale de înaltă densitate, de exemplu plumb, până la linie.
Informațiile privind densitatea lichidelor sunt de asemenea folosite în timpul preparării băuturilor. Cocteilurile cu mai multe straturi sunt fabricate din lichide de densitate diferită. În mod normal, lichidele cu o densitate mai scăzută sunt turnate cu precizie pe un lichid cu densitate mai mare. De asemenea, puteți folosi un stick de cocktail de sticlă sau o lingură de bar și le toarnă lent peste ele. Dacă nu vă grăbiți și faceți totul frumos, veți obține o frumoasă băutură multi-strat. Această metodă poate fi utilizată și cu jeleuri sau cu vase geluite, deși, dacă timpul permite, este mai ușor să răciți fiecare strat separat, turnând un nou strat numai după ce stratul de bază a fost întărit.
Roșia de cireșe plutește la granița dintre apele sărate de mai jos, vopsite în roz și apa proaspătă cu o densitate mai mică în partea de sus. Densitatea roșiilor este mai mare decât densitatea apei pure și mai mică decât densitatea sării, așa că sa dovedit a fi în mijloc.
Densitatea apei sărate
Roșia de cireșe plutește la granița dintre apele sărate de mai jos, vopsite în roz și apa proaspătă cu o densitate mai mică în partea de sus. Densitatea roșiilor este mai mare decât densitatea apei pure și mai mică decât densitatea sării, așa că sa dovedit a fi în mijloc.
Densitatea aerului
Ca și în cazul apei, corpurile cu o densitate sub densitatea aerului au o flotabilitate pozitivă, adică decolare. Un bun exemplu de astfel de substanță este heliul. Densitatea sa este de 0,000178 g / cm³, în timp ce densitatea aerului este de aproximativ 0,001293 g / cm3. Puteți vedea cum heliul se decolează în aer, dacă îl umpleți cu un balon de aer.
Calculul densității
Adesea, densitatea substanțelor este indicată pentru condiții standard, adică pentru o temperatură de 0 ° C și o presiune de 100 kPa. În manualele de instruire și de referință, puteți găsi, de obicei, o asemenea densitate pentru substanțele care se găsesc adesea în natură. Câteva exemple sunt prezentate în tabelul de mai jos. În unele cazuri, masa nu este suficientă, iar densitatea trebuie calculată manual. În acest caz, masa este împărțită la volumul corpului. Mass-ul este ușor de găsit cu ajutorul scalelor. Pentru a afla volumul unui corp geometric standard, puteți utiliza formulele pentru a calcula volumul. Volumul lichidelor și al substanțelor granulare poate fi găsit prin umplerea cupei cu o substanță. Pentru calcule mai complexe, se folosește metoda de deplasare a fluidului.
Metodă de deplasare a lichidului
Pentru a calcula volumul în acest fel, mai întâi, turnați o anumită cantitate de apă într-un vas de măsurare și plasați corpul, al cărui volum trebuie calculat, până când acesta este complet scufundat. Volumul corpului este egal cu diferența dintre volumul de apă fără corp și cu el. Se crede că această regulă a fost derivată de la Archimede. Măsurarea volumului în acest mod este posibilă numai dacă corpul nu absoarbe apă și nu strica apa. De exemplu, nu vom măsura volumul unei camere sau al produselor din țesături prin metoda de deplasare a lichidului.
Nu se știe cât de mult această legendă reflectă evenimente reale, dar se crede că regele Hiero II la instruit pe Arhimede să determine dacă coroana lui a fost făcută din aur curat. Regele bănuia că bijutierul său a furat o parte din aurul alocat coroanei și a făcut o coroană de aliaj mai ieftin. Arhimede putea determina cu ușurință acest volum prin topirea coroanei, dar regele ia ordonat să găsească un mod de a face acest lucru fără a distruge coroana. Se crede că Arhimede a găsit o soluție la această problemă atunci când a luat o baie. S-a scufundat în apă, a observat că corpul său a deplasat o anumită cantitate de apă și și-a dat seama că volumul de apă deplasat este egal cu volumul corpului din apă.
Corpuri goale
Unele materiale naturale și artificiale constau din particule interioare goale sau din particule atât de mici încât aceste substanțe se comportă ca și lichide. În cel de-al doilea caz, există un spațiu gol între particule, umplut cu aer, lichid sau altă substanță. Uneori acest loc este lăsat gol, adică este umplut cu vid. Un exemplu de astfel de substanțe este nisipul, sarea, boabele, zăpada și pietrișul. Volumul acestor materiale poate fi determinat prin măsurarea volumului total și scăderea din acesta a volumului de goluri definite prin calcule geometrice. Această metodă este convenabilă dacă forma particulelor este mai mult sau mai puțin omogenă.
Pentru unele materiale, cantitatea de spațiu gol depinde de cât de bine sunt împachetate particulele. Acest lucru complică calculele, deoarece nu este întotdeauna ușor să determinați cât spațiu gol între particule.
Tabelul densităților substanțelor care apar în mod natural
În avioane, materialele compozite sunt adesea folosite în locul metalelor pure, deoarece, spre deosebire de metale, astfel de materiale au o elasticitate ridicată la greutate redusă. Șuruburile de aer ale acestui avion Bombardier Q400 sunt fabricate în întregime din materiale compozite.
Densitate și masă
În unele industrii, de exemplu în aviație, este necesar să se utilizeze cât mai ușor materiale ușoare. Deoarece materialele cu densitate joasă au, de asemenea, o masă mică, în astfel de situații se utilizează materiale cu densitatea cea mai mică. De exemplu, densitatea aluminiului este de numai 2,7 g / cm3, în timp ce densitatea oțelului este de la 7,75 până la 8,05 g / cm3. Aceasta se datorează densității scăzute în 80% a corpului aeronavei, folosind aluminiul și aliajele sale. Desigur, în același timp, nu trebuie să uităm de putere - astăzi puțini oameni fac avioane din lemn, din piele și alte materiale ușoare.
În avioane, materialele compozite sunt adesea folosite în locul metalelor pure, deoarece, spre deosebire de metale, astfel de materiale au o elasticitate ridicată la greutate redusă. Șuruburile de aer ale acestui avion Bombardier Q400 sunt fabricate în întregime din materiale compozite.
Imaginea artistică a unei găuri negre, realizată de Oficiul American al NASA.
Găurile negre
Pe de altă parte, cu cât este mai mare masa materiei pe volum dat, cu atât este mai mare densitatea. Găurile negre reprezintă un exemplu de corpuri fizice cu un volum foarte mic și o masă imensă și, în consecință, cu o densitate imensă. Un astfel de corp astronomic absoarbe lumina și alte corpuri care sunt destul de aproape de ea. Cele mai mari găuri negre sunt numite supermassive.