Nézzük meg a cikkben, hogyan találjuk meg a sűrűséget, és mi az. Számos szerkezet és jármű tervezése során számos olyan fizikai jellemzőt figyelembe vesznek, amelyekkel egy adott anyagnak rendelkeznie kell. Az egyik a sűrűség.
Tömeg és hangerő
Megfejteni két fizikai mennyiség jelentését, amelyek közvetlenül kapcsolódnak hozzá – ez a tömeg és a térfogat. Mielőtt válaszolnánk arra a kérdésre, hogyan találjuk meg a sűrűséget.
A tömeg olyan jellemző, amely leírja a testek tehetetlenségi tulajdonságait és azt a képességét, hogy gravitációs vonzerőt mutassanak egymásnak. A tömeget kilogrammban mérik az SI rendszerben.
A tehetetlenségi és gravitációs tömeg fogalmát először Isaac Newton vezette be a fizikába, amikor megfogalmazta a mechanika és az egyetemes gravitáció törvényeit.
A térfogat a test kizárólag geometriai jellemzője, amely mennyiségileg tükrözi a térnek azt a részét, amelyet elfoglal. A térfogatot köb hosszegységben mérik, például SI-ben köbméterben.
Ismert alakú testekhez(parallelelelelepiped, labda, gúla) ez az érték speciális képletekkel határozható meg, szabálytalan geometriai alakú tárgyaknál a térfogat meghatározása folyadékba merítéssel történik.
Fizikai mennyiségi sűrűség
Most közvetlenül a sűrűség meghatározására vonatkozó kérdésre keresheti a választ. Ezt a jellemzőt a testtömeg és az általa elfogl alt térfogat aránya határozza meg, amelyet matematikailag a következőképpen írunk le:
ρ=m/V.
Ez az egyenlőség a ρ egységeit mutatja (kg/m3). Így a sűrűséget, a tömeget és a térfogatot egyetlen egyenlőség köti össze, és a ρ értéke bármely anyag esetén a tömegének térfogati koncentrációját mutatja.
Vegyünk egy egyszerű példát: ha egyforma méretű műanyag és vasgolyókat veszel a kezedbe, akkor a második sokkal nagyobb súlyú lesz, mint az első. Ez a tény a vas nagy sűrűségének köszönhető a műanyaghoz képest.
A természetben a sűrűségek arányának egyik fő megnyilvánulása a testek felhajtóereje lesz. Ha a test sűrűsége kisebb, mint a folyadéké, akkor soha nem süllyed el benne.
Anyagsűrűség
Amikor bizonyos anyagok sűrűségéről beszélünk, ezek szilárd anyagokat jelentenek. A gázoknak és folyadékoknak is van bizonyos sűrűsége, de itt nem beszélünk róluk.
A szilárd anyagok lehetnek kristályosak vagy amorfok. A ρ értéke az anyagok szerkezetétől, atomközi távolságaitól, valamint atom- és molekulatömegétől függ. Például minden fém kristály, az üveg vagy a fa pedig azamorf szerkezet. Az alábbiakban egy táblázat található a különböző fafajták sűrűségéről.
Kérjük, vegye figyelembe, hogy ebben az esetben az átlagos sűrűség van megadva. A való életben minden fának egyedi jellemzői vannak, beleértve az üregeket, pórusokat és a nedvesség bizonyos százalékának jelenlétét a fában.
Alább egy másik táblázat látható. Ebben g/cm-ben3 minden szobahőmérsékleten lévő tiszta kémiai elem sűrűsége megadva.
A táblázatból látható, hogy minden elem sűrűsége nagyobb, mint a vízé. A kivétel csak három fém – a lítium, a kálium és a nátrium –, amelyek nem süllyednek el, hanem lebegnek a víz felszínén.
Hogyan mérik kísérletileg a sűrűséget?
Valójában két módszer létezik a vizsgált jellemző meghatározására. Az első a test közvetlen lemérése és lineáris méreteinek mérése.
Ha a test geometriai alakja összetett, akkor az úgynevezett hidrosztatikus módszert alkalmazzuk.
Lényege a következő: először mérje le a testet a levegőben. Tegyük fel, hogy a kapott súly P1. Ezt követően a testet ρl ismert sűrűségű folyadékban lemérjük. Legyen a test tömege a folyadékban P2. Ekkor a vizsgált anyag sűrűségének ρ értéke:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
Ezt a képletet minden tanuló saját maga is megkaphatja, ha figyelembe veszi Arkhimédész törvényéta leírt esetre.
Történelmileg úgy tartják, hogy először a görög filozófus, Arkhimédész használt hidrosztatikus mérést a hamis aranykorona meghatározására. Az első hidrosztatikus mérlegeket Galileo Galilei találta fel a 16. század végén. Jelenleg az elektronikus piknométereket és a sűrűségmérőket széles körben használják a ρ értékének kísérleti meghatározására folyadékokban, szilárd anyagokban és gázokban.
A sűrűség elméleti meghatározása
A sűrűség kísérleti meghatározásának kérdését fentebb tárgy altuk. Ez az ismeretlen anyag ρ-je azonban elméletileg megtalálható. Ehhez ismerni kell a kristályrács típusát, ennek a rácsnak a paramétereit, valamint az azt alkotó atomok tömegét. Mivel minden elemi kristályrácsnak van bizonyos geometriai alakja, könnyű megtalálni a térfogatának meghatározására szolgáló képletet.
Ha egy kristályos anyag több kémiai elemből, például fémötvözetekből áll, akkor átlagos sűrűsége a következő egyszerű képlettel határozható meg:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
Ahol mi, ρi az i-edik komponens tömege, illetve sűrűsége.
Ha az anyag amorf szerkezetű, akkor elméletileg nem lehet pontosan meghatározni a sűrűségét, ezért kísérleti technikákat kell alkalmazni.
