Физическата величина "плътност". Как се определя плътността експериментално и теоретично?

В тази статия ще разгледаме как да намерим плътността какво представлява. При проектирането на много конструкции и превозни средства е необходимо да се вземат предвид редица физични свойства, които даден материал трябва да притежава. Една от тях е плътността.

Маса и обем

Нека разчетем двете физически величини, които са свързани с нея - маса и обем. Преди да отговорим на въпроса как да намерим плътността, първо ще обясним значението на две физични величини.

Масата е характеристиката, която описва инерционните свойства на телата и способността им да упражняват гравитационно привличане едно върху друго. Масата се измерва в килограми по системата SI.

Понятията за инерционна и гравитационна маса са въведени за първи път във физиката от Исак Нютон при формулирането на законите на механиката и на всемирната гравитация.

Обемът е чисто геометрична характеристика на едно тяло и количествено представя частта от пространството, която то заема. Обемът се измерва в кубични единици за дължина, например в SI това са метри в куб.

За тела с известна форма (паралелепипед, сфера, пирамида) тази величина може да се определи по специални формули, а за обекти с неправилна геометрична форма обемът се определя чрез потапянето им в течност.

Физическата величина плътност

Сега можем да преминем директно към отговора на въпроса как да намерим плътността. Тази характеристика се определя от съотношението между масата на тялото и обема, който то заема, и се записва математически по следния начин:

ρ = m/V.

Това уравнение дава мерната единица за ρ (kg/m³). Така плътността, масата и обемът са свързани с едно и също равенство и стойността ρ за всеки материал показва обемната концентрация на неговата маса.

Ако вземем в ръката си пластмасова и желязна топка с еднакъв размер, втората ще тежи много повече от първата. Този факт е свързан с високата плътност на желязото в сравнение с тази на пластмасата.

Едно от основните проявления на отношението на плътност в природата е плаваемостта на телата. Ако плътността на едно тяло е по-малка от тази на течност, то никога няма да потъне в нея.

Плътност на материалите

Когато говорим за плътността на определени материали, става дума за твърди тела. Газовете и течностите също имат определена плътност, но тук няма да говорим за тях.

Твърдите вещества могат да бъдат кристални или аморфни. Стойността на ρ зависи от структурата, междуатомните разстояния и атомните и молекулните тегла на материалите. Например всички метали са кристали, но стъклото или дървото имат аморфна структура. По-долу е представена таблица, в която е показана плътността на различните видове дървесина.

Обърнете внимание, че в този случай е дадена средната плътност. В реалния живот всяка дървесина има уникални характеристики, включително кухини, пори и наличие на определен процент влага в дървесината.

Ето още една таблица. Той се показва в g/cm³ дадени са плътностите на всички чисти химични елементи при стайна температура.

От таблицата се вижда, че плътността на всички елементи е по-голяма от тази на водата. Единствените изключения са три метала - литий, калий и натрий, които не потъват, а плуват на повърхността на водата.

Как се измерва плътността експериментално?

По същество има две техники за определяне на изследваната характеристика. Първият се състои в директно претегляне на тяло и измерване на линейните му размери.

Ако геометрията на тялото е сложна, се използва т.нар. хидростатичен метод.

Идеята е следната: първо претеглете тялото във въздуха. Нека приемем, че полученото тегло е P₁. След това тялото се претегля в течност с известна плътност ρ_l. Нека теглото на тяло в течност е P₂. Тогава стойността на плътността ρ на изследвания материал е

ρ = ρ_l*P₁/(P₁-P₂).

Тази формула може да бъде получена от всеки ученик, ако той разгледа закона на Архимед за описания случай.

В исторически план се смята, че хидростатичното претегляне е използвано за първи път от гръцкия философ Архимед, за да определи изковаването на златната корона. Галилео Галилей изобретява първата хидростатична везна в края на XVI век. Понастоящем електронните пикнометри и плътномери се използват широко за експериментално определяне на ρ на течности, твърди вещества и газове.

Теоретично определяне на плътността

Въпросът как да се намери плътността експериментално беше разгледан по-горе. Това обаче може да се установи теоретично за неизвестен материал ρ. За тази цел е необходимо да се знае видът на решетката, параметрите на тази решетка и масите на образуващите я атоми. Тъй като всяка елементарна кристална решетка има определена геометрична форма, не е трудно да се намери формулата за определяне на нейния обем.

Ако даден кристален материал се състои от няколко химични елемента, например метални сплави, средната му плътност може да се определи по следната проста формула:

ρ = ∑m_i/∑(m_i/ρ_i).

Където m_i, ρ_i - масата и плътността на i-тия компонент, съответно.

Ако материалът има аморфна структура, плътността му не може да се определи със сигурност теоретично и е необходимо използването на експериментални техники.