Αφού οι μαθητές εξοικειώθηκαν με την έννοια της μάζας και του όγκου των ουσιών στη φυσική, μελετούν ένα σημαντικό χαρακτηριστικό κάθε σώματος, το οποίο ονομάζεται πυκνότητα. Το παρακάτω άρθρο είναι αφιερωμένο σε αυτήν την τιμή. Τα ερωτήματα της φυσικής σημασίας της πυκνότητας αποκαλύπτονται παρακάτω. Δίνεται επίσης ο τύπος πυκνότητας. Περιγράφονται μέθοδοι για την πειραματική του μέτρηση.
Η έννοια της πυκνότητας
Ας ξεκινήσουμε το άρθρο με μια άμεση καταγραφή του τύπου για την πυκνότητα της ύλης. Μοιάζει με αυτό:
ρ=m / V.
Εδώ m είναι η μάζα του εξεταζόμενου σώματος. Εκφράζεται στο σύστημα SI σε κιλά. Στις εργασίες και στην πράξη, μπορείτε επίσης να βρείτε άλλες μονάδες μέτρησής του, για παράδειγμα, γραμμάρια ή τόνους.
Το σύμβολο V στον τύπο υποδηλώνει τον όγκο που χαρακτηρίζει τις γεωμετρικές παραμέτρους του σώματος. Μετράται σε SI σε κυβικά μέτρα, ωστόσο χρησιμοποιούνται και κυβικά χιλιόμετρα, λίτρα, χιλιοστόλιτρα κ.λπ.
Ο τύπος πυκνότητας δείχνει ποια μάζα μιας ουσίας περιέχεται σε μια μονάδαΕνταση ΗΧΟΥ. Χρησιμοποιώντας την τιμή του ρ, μπορεί κανείς να υπολογίσει ποιο από τα δύο σώματα θα έχει μεγαλύτερο βάρος με ίσους όγκους ή ποιο από τα δύο σώματα θα έχει μεγαλύτερο όγκο με ίσες μάζες. Για παράδειγμα, το ξύλο είναι λιγότερο πυκνό από το σίδηρο. Επομένως, με ίσους όγκους αυτών των ουσιών, η μάζα του σιδήρου θα υπερβαίνει σημαντικά την ίδια τιμή για ένα δέντρο.
Η έννοια της σχετικής πυκνότητας
Το ίδιο το όνομα αυτής της ποσότητας υποδηλώνει ότι η υπό μελέτη τιμή για ένα σώμα θα θεωρηθεί σε σχέση με ένα παρόμοιο χαρακτηριστικό για ένα άλλο. Ο τύπος για τη σχετική πυκνότητα ρr μοιάζει με αυτό:
ρr=ρs / ρ0.
Όπου ρs είναι η πυκνότητα του μετρούμενου υλικού, ρ0 είναι η πυκνότητα έναντι της οποίας η τιμή ρ Το r μετριέται . Προφανώς, το ρr είναι αδιάστατο. Δείχνει πόσες φορές η μετρούμενη ουσία είναι πιο πυκνή από το επιλεγμένο πρότυπο.
Για υγρά και στερεά, ως τυπικό ρ0 επιλέξτε αυτήν την τιμή για απεσταγμένο νερό σε θερμοκρασία 4 oC. Σε αυτή τη θερμοκρασία το νερό έχει μέγιστη πυκνότητα, η οποία είναι μια βολική τιμή για υπολογισμούς - 1000 kg/m3 ή 1 kg/l.
Για συστήματα αερίου, συνηθίζεται να χρησιμοποιείται η πυκνότητα αέρα σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία 0 ως τυπική oC.
Εξάρτηση της πυκνότητας από την πίεση και τη θερμοκρασία
Η τιμή που μελετήθηκε δεν είναι σταθερή για ένα συγκεκριμένο σώμα,εάν αλλάξετε τη θερμοκρασία ή την εξωτερική πίεση του. Ωστόσο, τα υγρά και τα στερεά είναι ασυμπίεστα σε πολλές περιπτώσεις, πράγμα που σημαίνει ότι η πυκνότητά τους παραμένει σταθερή καθώς αλλάζει η πίεση καθώς και η θερμοκρασία.
Η επίδραση της πίεσης εκδηλώνεται ως εξής: όταν αυξάνεται, μειώνονται οι μέσες διατομικές και διαμοριακές αποστάσεις, γεγονός που αυξάνει τον αριθμό των γραμμομορίων μιας ουσίας ανά μονάδα όγκου. Άρα η πυκνότητα αυξάνεται. Μια σαφής επίδραση της πίεσης στο υπό μελέτη χαρακτηριστικό παρατηρείται στην περίπτωση των αερίων.
Η θερμοκρασία έχει το αντίθετο αποτέλεσμα της πίεσης. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η κινητική ενέργεια των σωματιδίων ύλης αυξάνεται, αρχίζουν να κινούνται πιο ενεργά, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση των μέσων αποστάσεων μεταξύ τους. Το τελευταίο γεγονός οδηγεί σε μείωση της πυκνότητας.
Και πάλι, αυτό το φαινόμενο είναι πιο έντονο για τα αέρια παρά για τα υγρά και τα στερεά. Υπάρχει μια εξαίρεση σε αυτόν τον κανόνα - αυτό είναι το νερό. Έχει διαπιστωθεί πειραματικά ότι στο εύρος θερμοκρασίας 0-4 oС η πυκνότητά του αυξάνεται με τη θέρμανση.
Ομογενή και ανομοιογενή σώματα
Ο τύπος πυκνότητας που γράφτηκε παραπάνω αντιστοιχεί στον λεγόμενο μέσο όρο ρ για το εξεταζόμενο σώμα. Εάν διαθέσουμε κάποιο μικρό όγκο σε αυτό, τότε η υπολογιζόμενη τιμή ρi μπορεί να διαφέρει πολύ από την προηγούμενη τιμή. Το γεγονός αυτό συνδέεται με την παρουσία μιας ανομοιόμορφης κατανομής της μάζας σε όγκο. Σε αυτή την περίπτωση, η πυκνότηταΤο ρi ονομάζεται τοπικό.
Λαμβάνοντας υπόψη το ζήτημα της ανομοιόμορφης κατανομής της ύλης, φαίνεται ενδιαφέρον να διευκρινίσουμε ένα σημείο. Όταν αρχίζουμε να θεωρούμε έναν στοιχειώδη όγκο κοντά σε ατομικές κλίμακες, παραβιάζεται η έννοια της μέσης συνέχειας, πράγμα που σημαίνει ότι δεν έχει νόημα να χρησιμοποιούμε το χαρακτηριστικό τοπικής πυκνότητας. Είναι γνωστό ότι ολόκληρη σχεδόν η μάζα ενός ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα του, η ακτίνα του οποίου είναι περίπου 10-13 μέτρα. Η πυκνότητα του πυρήνα υπολογίζεται από έναν τεράστιο αριθμό. Αυτό είναι 2, 31017 kg/m3.
Μέτρηση πυκνότητας
Δείχθηκε παραπάνω ότι σύμφωνα με τον τύπο, η πυκνότητα είναι ίση με την αναλογία μάζας προς όγκο. Αυτό το γεγονός μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε το καθορισμένο χαρακτηριστικό ζυγίζοντας απλώς το σώμα και μετρώντας τις γεωμετρικές του παραμέτρους.
Αν το σχήμα του σώματος είναι πολύ περίπλοκο, τότε η καθολική μέθοδος για τον προσδιορισμό της πυκνότητας θα είναι η υδροστατική ζύγιση. Βασίζεται στη χρήση της Αρχιμήδειας δύναμης. Η ουσία της μεθόδου είναι απλή. Το σώμα ζυγίζεται πρώτα στον αέρα και μετά στο νερό. Η διαφορά βάρους χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της άγνωστης πυκνότητας. Για να το κάνετε αυτό, χρησιμοποιήστε τον ακόλουθο τύπο:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
όπου P0, Pl - σωματικό βάρος σε αέρα και υγρά. Συνεπώς, ρl είναι η πυκνότητα του υγρού.
Η μέθοδος υδροστατικής ζύγισης για τον προσδιορισμό της πυκνότητας, σύμφωνα με το μύθο, χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από έναν φιλόσοφο από τις ΣυρακούσεςΑρχιμήδης. Μπόρεσε, χωρίς να παραβιάσει τη σωματική ακεραιότητα του στέμματος, να προσδιορίσει ότι όχι μόνο χρυσός, αλλά και άλλα λιγότερο πυκνά μέταλλα χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του.
