Kun opiskelijat ovat tutustuneet fysiikan aineiden massan ja tilavuuden käsitteeseen, he tutkivat minkä tahansa kappaleen tärkeää ominaisuutta, jota kutsutaan tiheydeksi. Alla oleva artikkeli on omistettu tälle arvolle. Tiheyden fysikaalisen merkityksen kysymykset paljastetaan alla. Myös tiheyskaava annetaan. Sen kokeellisen mittauksen menetelmät on kuvattu.
Tiheyden käsite
Aloitetaan artikkeli tallentamalla suoraan aineen tiheyden kaava. Se näyttää tältä:
ρ=m / V.
Tässä m on tarkasteltavan kappaleen massa. Se ilmaistaan SI-järjestelmässä kilogrammoina. Tehtävissä ja käytännössä löydät myös muita sen mittayksiköitä, esimerkiksi grammoja tai tonneja.
Symboli V kaavassa tarkoittaa tilavuutta, joka luonnehtii kappaleen geometrisia parametreja. Se mitataan SI:nä kuutiometreinä, mutta käytetään myös kuutiokilometrejä, litroja, millilitroja jne.
Tiheyskaava osoittaa, kuinka paljon ainetta yksikkö sisältäääänenvoimakkuutta. ρ:n arvoa käyttämällä voidaan arvioida, kummalla kahdesta kappaleesta on suurempi paino yhtä suurilla tilavuuksilla tai kummalla kahdesta kappaleesta on suurempi tilavuus yhtä suurilla massoilla. Esimerkiksi puu on vähemmän tiheää kuin rauta. Siksi näiden aineiden yhtäläisillä tilavuuksilla raudan massa ylittää merkittävästi puun saman arvon.
Suhteellisen tiheyden käsite
Tämän suuren nimikin osoittaa, että yhden kappaleen tutkittavaa arvoa tarkastellaan suhteessa toisen kappaleen samanlaiseen ominaisuuteen. Suhteellisen tiheyden ρr kaava näyttää tältä:
ρr=ρs / ρ0.
Missä ρs on mitatun materiaalin tiheys, ρ0 on tiheys, jota vastaan arvo ρ r mitataan . On selvää, että ρr on ulottumaton. Se näyttää kuinka monta kertaa mitattu aine on tiheämpi kuin valittu standardi.
Nesteille ja kiinteille aineille, vakiona ρ0 valitse tämä arvo tislatulle vedelle, jonka lämpötila on 4 oC. Juuri tässä lämpötilassa veden maksimitiheys on, mikä on kätevä arvo laskelmissa - 1000 kg/m3 tai 1 kg/l.
Kaasujärjestelmissä on tapana käyttää ilman tiheyttä ilmanpaineessa ja lämpötilassa 0 vakiona oC.
Tiheyden riippuvuus paineesta ja lämpötilasta
Tutkittu arvo ei ole vakio tietylle keholle,jos muutat sen lämpötilaa tai ulkoista painetta. Nesteet ja kiinteät aineet ovat kuitenkin monissa tilanteissa kokoonpuristumattomia, mikä tarkoittaa, että niiden tiheys pysyy vakiona paineen ja lämpötilan muuttuessa.
Paineen vaikutus ilmenee seuraavasti: sen kasvaessa keskimääräiset atomien ja molekyylien väliset etäisyydet pienenevät, mikä lisää aineen moolimäärää tilavuusyksikköä kohti. Joten tiheys kasvaa. Kaasujen tapauksessa havaitaan paineen selvä vaikutus tutkittavaan ominaisuuteen.
Lämpötilalla on paineen päinvastainen vaikutus. Lämpötilan noustessa ainehiukkasten kineettinen energia kasvaa, ne alkavat liikkua aktiivisemmin, mikä johtaa keskimääräisten etäisyyksien kasvuun niiden välillä. Jälkimmäinen tosiasia johtaa tiheyden vähenemiseen.
Jälleen tämä vaikutus on voimakkaampi kaasuilla kuin nesteillä ja kiinteillä aineilla. Tästä säännöstä on poikkeus - tämä on vesi. Kokeellisesti on todettu, että lämpötila-alueella 0-4 oС sen tiheys kasvaa kuumennettaessa.
Homogeeniset ja epähomogeeniset kappaleet
Yllä kirjoitettu tiheyskaava vastaa tarkasteltavan kappaleen ns. keskiarvoa ρ. Jos varaamme siihen jonkin pienen tilavuuden, niin laskettu arvo ρi voi poiketa suuresti edellisestä arvosta. Tämä tosiasia liittyy epätasaiseen massan jakautumiseen tilavuuden suhteen. Tässä tapauksessa tiheysρi kutsutaan paikalliseksi.
Aineen epäyhtenäisen jakautumisen kann alta vaikuttaa mielenkiintoiselta selventää yksi seikka. Kun alamme tarkastella alkeistilavuutta, joka on lähellä atomiasteikkoja, keskipitkän jatkuvuuden käsite rikotaan, mikä tarkoittaa, että paikallisen tiheysominaisuuden käyttäminen ei ole järkevää. Tiedetään, että lähes koko atomin massa on keskittynyt sen ytimeen, jonka säde on noin 10-13 metriä. Ytimen tiheys on arvioitu v altavalla luvulla. Tämä on 2, 31017 kg/m3.
Tiheyden mittaus
Yllä näytettiin, että kaavan mukaan tiheys on yhtä suuri kuin massan ja tilavuuden suhde. Tämän tosiasian avulla voimme määrittää määritetyn ominaisuuden yksinkertaisesti punnitsemalla runko ja mittaamalla sen geometriset parametrit.
Jos rungon muoto on erittäin monimutkainen, yleisin menetelmä tiheyden määrittämiseksi on hydrostaattinen punnitus. Se perustuu Archimedean voiman käyttöön. Menetelmän ydin on yksinkertainen. Keho punnitaan ensin ilmassa ja sitten vedessä. Painoeroa käytetään tuntemattoman tiheyden laskemiseen. Käytä tätä varten seuraavaa kaavaa:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
jossa P0, Pl - ruumiinpaino ilmassa ja nesteessä. Vastaavasti ρl on nesteen tiheys.
Hydrostaattisen punnituksen menetelmää tiheyden määrittämiseksi legendan mukaan käytti ensimmäisenä syrakusalainen filosofiArchimedes. Hän pystyi rikkomatta kruunun fyysistä eheyttä toteamaan, että sen valmistukseen käytettiin paitsi kultaa myös muita vähemmän tiheitä metalleja.
