Загальні відомості
Щільність - властивість, яка визначає скільки речовини по масі доводиться на одиницю об'єму. В системі СІ щільність вимірюють в кг / м³, але також використовуються і інші одиниці, наприклад г / см³, кг / л і інші. У побуті найчастіше використовують дві рівнозначні величини: г / см³ і кг / мл.
Фактори, що впливають на щільність речовини
Щільність одного і того ж речовини залежить від температури і тиску. Зазвичай, чим вище тиск, тим більш щільно утрамбувати молекули, що збільшує щільність. У більшості випадків збільшення температури, навпаки, збільшує відстань між молекулами і зменшує щільність. У деяких випадках ця залежність - зворотна. Щільність льоду, наприклад, менше щільності води, не дивлячись на те, що лід холодніше води. Пояснити це можна молекулярною структурою льоду. Багато речовин, при переході від рідкого до твердого агрегатному стані змінюють молекулярну структуру так, що відстань між молекулами зменшується, і щільність, відповідно, збільшується. Під час утворення льоду, молекули шикуються в кристалічну структуру і відстань між ними, навпаки, збільшується. При цьому тяжіння між молекулами також змінюється, щільність зменшується, а обсяг збільшується. Взимку необхідно не забувати про це властивість льоду - якщо вода у водопровідних трубах замерзає, то їх може розірвати.
Лід плаває на межі між водою і менш щільним ізопропіловий спирт, пофарбованим синім кольором.
щільність води
Якщо щільність матеріалу, з якого зроблений предмет, більше щільності води, то він повністю занурюється у воду. Матеріали з щільністю, меншою, ніж у води, навпаки спливають на поверхню. Хороший приклад - лід з меншою щільністю, ніж вода, що спливає в склянці на поверхню води та інших напоїв, що складаються здебільшого з води. Ми часто використовуємо це властивість речовин в повсякденному житті. Наприклад, при конструюванні корпусів суден використовують матеріали з щільністю вище щільності води. Оскільки матеріали з щільністю вище, ніж щільність води, тонуть, в корпусі судна завжди створюються наповнені повітрям порожнини, так як щільність повітря набагато нижче щільності води. З іншого боку, іноді необхідно, щоб предмет тонув у воді - для цього вибирають матеріали з більшою щільністю, ніж у води. Наприклад, щоб ввести на достатню глибину легку наживку під час риболовлі, рибалки прив'язують до волосіні грузило з матеріалів, що мають високу щільність, наприклад свинцю.
Інформацію про щільність рідин використовують і під час приготування напоїв. Багатошарові коктейлі роблять з рідин різної щільності. Зазвичай рідини з меншою щільністю акуратно наливають на рідини більш високої щільності. Можна також використовувати скляну паличку для коктейлю або барну ложку і повільно наливати по ним рідина. Якщо не поспішати і робити все акуратно, то вийде красивий багатошаровий напій. Цей спосіб можна також використовувати з желе або заливними стравами, хоча, якщо дозволяє час, простіше охолодити кожен шар окремо, наливаючи новий шар тільки після того, як нижній шар затвердів.
Помідор черрі плаває на кордоні між солоною водою внизу, пофарбованої в рожевий колір, і прісною водою з меншою щільністю вгорі. Щільність помідора більше щільності чистої води і менше щільності солоної, тому він і опинився посередині.
Щільність солоної води
Помідор черрі плаває на кордоні між солоною водою внизу, пофарбованої в рожевий колір, і прісною водою з меншою щільністю вгорі. Щільність помідора більше щільності чистої води і менше щільності солоної, тому він і опинився посередині.
щільність повітря
Також як і у випадку з водою, тіла з щільністю нижче щільності повітря мають позитивну плавучість, тобто злітають. Хороший приклад такого речовини - гелій. Його щільність дорівнює 0,000178 г / см³, в той час як щільність повітря приблизно дорівнює 0,001293 г / см³. Можна побачити, як гелій злітає в повітрі, якщо наповнити їм повітряну кульку.
обчислення щільності
Часто щільність речовин вказують для стандартних умов, тобто для температури 0 ° C і тиску 100 кПа. У навчальних і довідкових посібниках зазвичай можна знайти таку щільність для речовин, часто зустрічаються в природі. Деякі приклади наведені в таблиці нижче. У деяких випадках таблиці недостатньо і щільність необхідно обчислити вручну. В цьому випадку масу ділять на обсяг тіла. Масу легко знайти за допомогою ваг. Щоб дізнатися обсяг тіла стандартної геометричної форми, можна використовувати формули для обчислення обсягу. Обсяг рідин і сипучих речовин можна знайти, наповнивши речовиною вимірювальну чашку. Для більш складних обчислень використовують метод витіснення рідини.
Метод витіснення рідини
Для обчислення обсягу таким способом, спочатку наливають певну кількість води в мірну посудину і поміщають до повного занурення тіло, обсяг якого необхідно обчислити. Обсяг тіла дорівнює різниці обсягу води без тіла, і з ним. Вважається, що це правило вивів Архімед. Виміряти обсяг таким способом можна тільки в тому випадку, якщо тіло не поглинає воду і не псується від води. Наприклад, ми не станемо вимірювати методом витіснення рідини обсяг фотоапарата або виробів з тканини.
Невідомо, наскільки ця легенда відображає реальні події, але вважається, що цар Гиерон II дав Архімед завдання визначити, чи зроблена його корона з чистого золота. Цар підозрював, що його ювелір вкрав частину золота, виділеного на корону, і замість цього зробив корону з більш дешевого сплаву. Архімед міг легко визначити цей обсяг, розплавивши корону, але цар наказав йому знайти спосіб зробити це, не пошкодивши корони. Вважається, що Архімед знайшов рішення цієї задачі, коли приймав ванну. Занурившись у воду він зауважив, що його тіло витіснило певну кількість води, і зрозумів, що обсяг витісненої води дорівнює обсягу тіла в воді.
порожні тіла
Деякі природні і штучні матеріали складаються з порожніх всередині частинок, або з частинок настільки маленьких, що ці речовини поводяться як рідини. У другому випадку, між частинками залишається порожнє місце, заповнене повітрям, рідиною, або іншою речовиною. Іноді це місце залишатися порожнім, тобто воно заповнене вакуумом. Приклад таких речовин - пісок, сіль, зерно, сніг і гравій. Обсяг таких матеріалів можна визначити, вимірявши загальний обсяг і вирахувавши з нього певний геометричними обчисленнями обсяг пустот. Цей спосіб зручний, якщо форма частинок більш-менш однорідна.
Для деяких матеріалів кількість порожнього місця залежить від того, наскільки щільно утрамбувати частки. Це ускладнює обчислення, так як не завжди легко визначити, скільки порожнього місця між частинками.
Таблиця щільності часто зустрічаються в природі речовин
У літаках часто використовують композиційні матеріали замість чистих металів, так як на відміну від металів, такі матеріали мають високу пружність при малій вазі. Повітряні гвинти цього літака Bombardier Q400 виготовлені повністю з композиційних матеріалів.
Щільність і маса
У деяких галузях, наприклад в авіації, необхідно використовувати якомога легші матеріали. Так як матеріали низької щільності також мають низьку масу, в таких ситуаціях намагаються використовувати матеріали з найменшою щільністю. Так, наприклад, щільність алюмінію всього 2,7 г / см³, в той час як щільність стали дорівнює від 7,75 до 8,05 г / см ³. Саме завдяки низькій щільності в 80% корпусу літаків використовують алюміній і його сплави. Звичайно, при цьому варто не забувати про міцність - сьогодні мало хто робить літаки з дерева, шкіри, та інших легких але маломіцних матеріалів.
У літаках часто використовують композиційні матеріали замість чистих металів, так як на відміну від металів, такі матеріали мають високу пружність при малій вазі. Повітряні гвинти цього літака Bombardier Q400 виготовлені повністю з композиційних матеріалів.
Художнє зображення чорної діри, виконане Американським відомством НАСА.
Чорні діри
З іншого боку, чим вище маса речовини на даний обсяг - тим вище щільність. Чорні діри - приклад фізичних тіл з дуже маленьким обсягом і величезною масою, а відповідно - і величезною щільністю. Таке астрономічне тіло поглинає світло і інші тіла, що знаходяться досить близько від нього. Найбільші чорні діри називають надмасивними.