Fizikalna količina "gostota". Kako eksperimentalno in teoretično ugotoviti gostoto?

V tem članku obravnavamo, kako najti gostoto in kaj je. Pri načrtovanju številnih konstrukcij in vozil se upoštevajo številne fizikalne lastnosti, ki jih mora imeti določen material. Ena od njih je gostota.

masa in prostornina

Razvozlajmo pomen dveh fizikalnih količin, ki sta z njo neposredno povezani - mase in prostornine. Preden odgovorimo na vprašanje, kako najti gostoto.

Masa je lastnost, ki opisuje vztrajnostne lastnosti teles in njihovo zmožnost medsebojnega gravitacijskega privlaka. Masa se v sistemu SI meri v kilogramih.

Pojma vztrajnostne in gravitacijske mase je v fiziko prvič uvedel Isaac Newton pri oblikovanju zakonov mehanike in univerzalne gravitacije.

Prostornina je povsem geometrijska značilnost telesa in določa količino prostora, ki ga telo zavzema. Prostornina se meri v kubičnih dolžinskih enotah, npr. v SI so to metri v kocki.

Za telesa znane oblike (paralelepiped, krogla, piramida) je mogoče to vrednost določiti s posebnimi formulami, za telesa nepravilne geometrijske oblike pa je prostornina določena s potopitvijo v tekočino.

Gostota vrednosti fizike

Sedaj lahko preidemo neposredno k odgovoru na vprašanje, kako najti gostoto. Gostota je opredeljena kot razmerje med maso predmeta in prostornino, ki jo zavzema:

ρ = m/V.

Ta enačba prikazuje mersko enoto ρ (kg/m³). Masa in prostornina sta torej povezani z enako enakostjo, vrednost ρ za katero koli snov pa označuje prostorninsko koncentracijo njene mase.

Poglejmo preprost primer: če v roki držite plastično in železno kroglo enake velikosti, bo imela slednja veliko večjo težo kot prva. To dejstvo je povezano z visoko gostoto železa v primerjavi s plastiko.

Ena od osnovnih manifestacij razmerja gostot v naravi je vzgon teles. Če je gostota telesa manjša od gostote tekočine, se v njej nikoli ne potopi.

Gostota materialov

Kadar se omenja gostota materialov, se vedno nanaša na trdne snovi. Tudi plini in tekočine imajo določeno gostoto, vendar o njih tukaj ne bomo govorili.

Trdne snovi so lahko kristalinične ali amorfne. Vrednost ρ je odvisna od strukture, medatomskih razdalj ter atomske in molekulske mase snovi. Vse kovine so na primer kristali, steklo ali les pa sta amorfna. V naslednji preglednici je prikazana gostota različnih vrst lesa.

Upoštevajte, da je v tem primeru podana povprečna gostota. V resničnem življenju ima vsak les svoje edinstvene lastnosti, vključno z votlinami, porami in prisotnostjo določenega odstotka vlage v lesu.

Tukaj je še ena tabela. V g/cm³ Podane so gostote vseh čistih kemijskih elementov pri sobni temperaturi.

Iz tabele je razvidno, da imajo vsi elementi večjo gostoto kot voda. Edina izjema so tri kovine, litij, kalij in natrij, ki ne potonejo, temveč plavajo na vodni gladini.

Kako se eksperimentalno meri gostota?

V bistvu obstajata dve tehniki za določanje preučevane lastnosti. Prvi je neposredna tehtnica telesa in merjenje njegovih linearnih dimenzij.

Če je geometrijska oblika predmeta zapletena, uporabimo tako imenovano hidrostatično metodo.

Njegovo bistvo je naslednje: telo se najprej stehta na zraku. Predpostavimo, da je dobljena utež P₁. Telo se nato stehta v tekočini z znano gostoto ρ_l. Teža telesa v tekočini naj bo P₂. Gostota ρ materiala, ki se preskuša, je potem

ρ = ρ_l*P₁/(P₁-P₂).

To formulo lahko dobi vsak šolar sam z upoštevanjem Arhimedovega zakona za opisani primer.

V preteklosti naj bi hidrostatično tehtanje prvič uporabil grški filozof Arhimed za ugotavljanje ponaredkov zlate krone. Prvo hidrostatično tehtnico je izumil Galileo Galilei ob koncu 16. stoletja. Trenutno se elektronski piknometri in merilniki gostote pogosto uporabljajo za eksperimentalno določanje ρ tekočin, trdnih snovi in plinov.

Teoretična določitev gostote

Zgoraj smo obravnavali, kako eksperimentalno ugotoviti gostoto. Kljub temu je mogoče teoretično ugotoviti ρ neznanega materiala. V ta namen je treba poznati vrsto kristalne mreže, parametre te mreže in mase atomov, ki jo tvorijo. Ker ima vsaka elementarna kristalna rešetka določeno geometrijsko obliko, ni težko najti formule za določitev njene prostornine.

Če je kristalinična snov sestavljena iz več kemijskih elementov, npr. kovinskih zlitin, lahko njeno povprečno gostoto določimo z naslednjo preprosto formulo

ρ = ∑m_i/∑(m_i/ρ_i).

kjer je m_i, ρ_i - masa in gostota i-te komponente.

Če ima material amorfno strukturo, njegove gostote teoretično ni mogoče natančno določiti, zato je treba uporabiti eksperimentalne metode.