Nakon što su se učenici upoznali s pojmom mase i volumena tvari u fizici, proučavaju važnu karakteristiku svakog tijela, a to se zove gustoća. Članak u nastavku posvećen je ovoj vrijednosti. Pitanja fizičkog značenja gustoće otkrivena su u nastavku. Navedena je i formula gustoće. Opisane su metode za njegovo eksperimentalno mjerenje.
Koncept gustoće
Započnimo članak s izravnim zapisom formule za gustoću materije. To izgleda ovako:
ρ=m / V.
Ovdje je m masa razmatranog tijela. Izražava se u SI sustavu u kilogramima. U zadacima i praksi možete pronaći i druge mjerne jedinice, na primjer, grame ili tone.
Simbol V u formuli označava volumen koji karakterizira geometrijske parametre tijela. Mjeri se u SI u kubičnim metrima, međutim, koriste se i kubični kilometri, litre, mililitri itd.
Formula gustoće pokazuje koliku masu tvari sadrži jedinicavolumen. Pomoću vrijednosti ρ može se procijeniti koje će od dva tijela imati veću težinu s jednakim volumenom ili koje će od dva tijela imati veći volumen s jednakim masama. Na primjer, drvo je manje gusto od željeza. Stoga će s jednakim volumenima ovih tvari masa željeza znatno premašiti istu vrijednost za stablo.
Koncept relativne gustoće
Sam naziv ove količine ukazuje na to da će se vrijednost koja se proučava za jedno tijelo smatrati relativnom u odnosu na sličnu karakteristiku za drugo. Formula za relativnu gustoću ρr izgleda ovako:
ρr=ρs / ρ0.
Gdje je ρs gustoća izmjerenog materijala, ρ0 je gustoća prema kojoj je vrijednost ρ r se mjeri . Očito, ρr je bezdimenzionalno. Pokazuje koliko je puta izmjerena tvar gušća od odabranog standarda.
Za tekućine i krute tvari, standardno ρ0 odaberite ovu vrijednost za destiliranu vodu na temperaturi od 4 oC. Na toj temperaturi voda ima maksimalnu gustoću, što je prikladna vrijednost za izračune - 1000 kg/m3 ili 1 kg/l.
Za plinske sustave uobičajeno je koristiti gustoću zraka pri atmosferskom tlaku i temperaturi 0 kao standard oC.
Ovisnost gustoće o tlaku i temperaturi
Proučavana vrijednost nije konstantna za određeno tijelo,ako promijenite njegovu temperaturu ili vanjski tlak. Međutim, tekućine i krute tvari su nestlačive u mnogim situacijama, što znači da njihova gustoća ostaje konstantna kako se mijenja tlak, tako i temperatura.
Utjecaj tlaka očituje se na sljedeći način: kada se on povećava, smanjuju se prosječne međuatomske i međumolekularne udaljenosti, što povećava broj molova tvari po jedinici volumena. Dakle, gustoća se povećava. Jasan utjecaj pritiska na ispitivanu karakteristiku uočava se u slučaju plinova.
Temperatura ima suprotan učinak tlaka. S povećanjem temperature, kinetička energija čestica materije raste, one se počinju aktivnije kretati, što dovodi do povećanja prosječnih udaljenosti između njih. Posljednja činjenica dovodi do smanjenja gustoće.
Opet, ovaj učinak je izraženiji za plinove nego za tekućine i krute tvari. Postoji iznimka od ovog pravila - ovo je voda. Eksperimentalno je utvrđeno da u temperaturnom području 0-4 oS njegova gustoća raste zagrijavanjem.
Homogena i nehomogena tijela
Gore napisana formula gustoće odgovara takozvanom prosjeku ρ za razmatrano tijelo. Ako u njega dodijelimo neki mali volumen, tada se izračunata vrijednost ρi može jako razlikovati od prethodne vrijednosti. Ova je činjenica povezana s prisutnošću neujednačene raspodjele mase po volumenu. U ovom slučaju, gustoćaρi se zove lokalno.
S obzirom na pitanje neujednačene raspodjele materije, čini se zanimljivim razjasniti jednu točku. Kada počnemo razmatrati elementarni volumen blizak atomskim ljestvicama, krši se koncept kontinuiteta medija, što znači da nema smisla koristiti karakteristiku lokalne gustoće. Poznato je da je gotovo cijela masa atoma koncentrirana u njegovoj jezgri, čiji je polumjer oko 10-13 metara. Gustoća jezgre procjenjuje se ogromnom brojkom. Ovo je 2, 31017 kg/m3.
Mjerenje gustoće
Iznad je pokazano da je u skladu s formulom gustoća jednaka omjeru mase i volumena. Ova činjenica nam omogućuje da odredimo navedenu karakteristiku jednostavnim vaganjem tijela i mjerenjem njegovih geometrijskih parametara.
Ako je oblik tijela vrlo složen, tada će univerzalna metoda za određivanje gustoće biti hidrostatsko vaganje. Temelji se na korištenju Arhimedove sile. Bit metode je jednostavna. Tijelo se prvo važe u zraku, a zatim u vodi. Razlika u težini koristi se za izračunavanje nepoznate gustoće. Da biste to učinili, koristite sljedeću formulu:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
gdje je P0, Pl - tjelesna težina u zraku i tekućini. Prema tome, ρl je gustoća tekućine.
Metodu hidrostatskog vaganja za određivanje gustoće, prema legendi, prvi je upotrijebio filozof iz SirakuzeArhimed. Uspio je, bez narušavanja fizičkog integriteta krune, utvrditi da je za izradu korišteno ne samo zlato, već i drugi manje gusti metali.
