Pohditaan artikkelissa, kuinka tiheys löydetään ja mikä se on. Monien rakenteiden ja ajoneuvojen suunnittelussa otetaan huomioon useita fyysisiä ominaisuuksia, jotka tietyllä materiaalilla on oltava. Yksi niistä on tiheys.
Massa ja tilavuus
Poista kahden siihen suoraan liittyvän fyysisen suuren merkitys - tämä on massa ja tilavuus. Ennen kuin vastaamme kysymykseen kuinka löytää tiheys.
Massa on ominaisuus, joka kuvaa kappaleiden inertiaominaisuuksia ja niiden kykyä osoittaa vetovoimaa toisiinsa. Massa mitataan kilogrammoina SI-järjestelmässä.
Inertia- ja gravitaatiomassojen käsitteet esitteli ensimmäisenä fysiikkaan Isaac Newton muotoillessaan mekaniikan ja universaalin gravitaatiolakeja.
Tilavuus on kehon yksinomaan geometrinen ominaisuus, joka heijastaa kvantitatiivisesti sen tilan osaa. Tilavuus mitataan pituuden kuutioyksiköissä, esimerkiksi SI:ssä se on kuutiometriä.
Tunnetun muotoisille vartaloille(rinnakkaisputki, pallo, pyramidi) tämä arvo voidaan määrittää erityisillä kaavoilla, epäsäännöllisen geometrisen muotoisten esineiden tilavuus määritetään upottamalla ne nesteeseen.
Fysikaalisen suuren tiheys
Nyt voit siirtyä suoraan vastaukseen kysymykseen, kuinka tiheys löydetään. Tämä ominaisuus määräytyy kehon massan suhteesta sen varaamaan tilavuuteen, joka on kirjoitettu matemaattisesti seuraavasti:
ρ=m/V.
Tämä yhtälö näyttää ρ:n yksiköt (kg/m3). Siten tiheys, massa ja tilavuus liittyvät toisiinsa yhdellä yhtälöllä, ja minkä tahansa materiaalin ρ:n arvo osoittaa sen massan tilavuuspitoisuuden.
Annetaan yksinkertainen esimerkki: jos otat samankokoisia muovi- ja rautapalloja käteesi, niin toisella on paljon enemmän painoa kuin ensimmäisellä. Tämä johtuu raudan suuresta tiheydestä muoviin verrattuna.
Yksi tärkeimmistä tiheyssuhteen ilmenemismuodoista luonnossa on kappaleiden kelluvuus. Jos kehon tiheys on pienempi kuin nesteen, se ei koskaan uppoa siihen.
Materiaalien tiheys
Kun puhutaan tiettyjen materiaalien tiheydestä, ne tarkoittavat kiinteitä aineita. Kaasuilla ja nesteillä on myös tietty tiheys, mutta emme puhu niistä tässä.
Kiinteät materiaalit voivat olla joko kiteisiä tai amorfisia. ρ:n arvo riippuu materiaalien rakenteesta, atomien välisistä etäisyyksistä sekä atomi- ja molekyylimassoista. Esimerkiksi kaikki metallit ovat kiteitä, ja lasi tai puu ovat niitäamorfinen rakenne. Alla on taulukko eri puulajien tiheydestä.
Huomaa, että tässä tapauksessa keskimääräinen tiheys on annettu. Tosielämässä jokaisessa puussa on ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten onteloita, huokosia ja tietyn prosenttiosuuden kosteutta puussa.
Alla on toinen taulukko. Siinä on annettu kaikkien puhtaiden kemiallisten alkuaineiden tiheydet, jotka ovat huoneenlämpötilassa, g/cm3.
Taulusta voidaan nähdä, että kaikkien alkuaineiden tiheys on suurempi kuin veden. Poikkeuksena on vain kolme metallia - litium, kalium ja natrium, jotka eivät uppoa, vaan kelluvat veden pinnalla.
Miten tiheys mitataan kokeellisesti?
Itse asiassa on olemassa kaksi tekniikkaa tutkittavan ominaisuuden määrittämiseen. Ensimmäinen on punnita keho suoraan ja mitata sen lineaariset mitat.
Jos kappaleen geometrinen muoto on monimutkainen, käytetään niin sanottua hydrostaattista menetelmää.
Sen olemus on seuraava: punnitse ensin keho ilmassa. Oletetaan, että tuloksena oleva paino oli P1. Sen jälkeen ruumis punnitaan nesteessä, jonka tiheys tunnetaan ρl. Olkoon kehon paino nesteessä P2. Tällöin tutkittavan materiaalin tiheyden ρ arvo on:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Jokainen opiskelija voi saada tämän kaavan itse, jos hän ottaa huomioon Arkhimedesin lainkuvattuun tapaukseen.
Historiallisesti uskotaan, että kreikkalainen filosofi Archimedes käytti ensimmäistä kertaa hydrostaattista punnitusta väärennetyn kultakruunun määrittämiseen. Ensimmäiset hydrostaattiset vaa'at keksi Galileo Galilei 1500-luvun lopulla. Tällä hetkellä elektronisia pyknometrejä ja tiheysmittareita käytetään laaj alti määrittämään kokeellisesti nesteiden, kiinteiden aineiden ja kaasujen ρ:n arvo.
Tiheyden teoreettinen määritelmä
Kysymystä tiheyden löytämisestä kokeellisesti käsiteltiin edellä. Tämä tuntemattoman materiaalin ρ voidaan kuitenkin löytää teoreettisesti. Tätä varten on tarpeen tietää kidehilan tyyppi, tämän hilan parametrit sekä sen muodostavien atomien massa. Koska millä tahansa alkeiskidehilalla on tietty geometrinen muoto, on helppo löytää kaava sen tilavuuden määrittämiseksi.
Jos kiteinen materiaali koostuu useista kemiallisista alkuaineista, kuten metalliseoksista, sen keskimääräinen tiheys voidaan määrittää seuraavalla yksinkertaisella kaavalla:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Missä mi, ρi ovat vastaavasti i:nnen komponentin massa ja tiheys.
Jos materiaalilla on amorfinen rakenne, sen tiheyttä ei teoriassa voida määrittää tarkasti, ja on käytettävä kokeellisia tekniikoita.
