Чему равна плотность воды в физике. Определение плотности веществ

Плотность представляет собой физический параметр вещества, который находится в тесной взаимосвязи с его массой и объемом. Соотношение между этими параметрами обыкновенно определяется формулой p = m / V, где p - это плотность вещества, m - его масса, а V - объем. Таким образом, вещества, имеющие одинаковый объем, но при этом различную массу, во всей видимости, различаются между собой по плотности. То же можно сказать, если при одинаковой массе какие-либо вещества имеют разный объем.

Среди всех прочих веществ на планете Земля самую низкую плотность имеют газы. Жидкости, как правило, характеризуются более высокой по сравнению с ними плотностью, а максимальное значение этого показателя можно встретить у твердых веществ. Так, например, наиболее плотным металлом принято считать осмий.

Измерение плотности

Для измерения плотности , а также других предметных областях, это понятие, принята специальная комплексная единица измерения, основанная на взаимосвязи плотности с массой и объемом вещества. Так, в международной системе единиц измерения СИ единицей, используемой для описания плотности вещества, является килограмм на один кубический метр, которую принято обозначать как кг/м³.

Вместе с тем, в случае, если речь идет об очень малых объемах вещества, в отношении которого необходимо измерить плотность, в применяется использование производной от этой общепринятой единицы, выражаемой как количество граммов на кубический сантиметр. В сокращенном виде эту единицу принято обозначать г/см³.

При этом плотность различных веществ имеет тенденцию к изменению в зависимости от температуры: в большинстве случаев ее понижение влечет за собой увеличение плотности вещества. Так, например, обыкновенный воздух при температуре +20оС имеет плотность, равную 1,20 кг/м³, тогда как при понижении температуры до 0оС его плотность увеличится до 1,29 кг/м³, а при ее дальнейшем понижении до -50оС плотность воздуха достигнет 1,58 кг/м³. Вместе с тем, некоторые вещества представляют собой исключение из этого правила, так как изменение их плотности не подчиняется указанной закономерности: к ним относится, например, вода.

Для измерения плотности веществ применяются различные физические приборы. Так, например, измерить плотность жидкости можно при помощи ареометра, а для того чтобы определить плотность твердого или газообразного вещества, можно воспользоваться пикнометром.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Плотностью называется количество вещества, приходящееся в среднем на единичный объем тела.

Это количество можно определять по-разному. Если речь идет о числе частиц, то говорят о плотности частиц. Эту величину обозначают буквой n . В СИ она измеряется в м -3 . Если имеется ввиду масса вещества, то вводят плотность массы. Её обозначают через . В Си измеряется в кг/м 3 . Между и n существует связь. Так, если тело состоит из частиц одного сорта, то

= m ×n ,

где m - масса одной частицы.

Плотность массы можно вычислить по формуле:

Данное выражение можно преобразовать так, чтобы получилась формула массы через объем и плотность:

Таблица 1. Плотности некоторых веществ.

Вещество	Плотность, кг/м 3	Вещество	Плотность, кг/м 3
Вещества атомного ядра
Сжатые газы в центре самых плотных звезд		Жидкий водород
		Воздух у поверхности Земли
		Воздух на высоте 20 км
Сжатое железо в ядре Земли		Наивысший искусственный вакуум
	(7,6 - 7,8)×10 3	Газы межзвездного пространства
		Газы межгалактического пространства
Алюминий
Человеческое тело

Независимо от степени сжатия плотности жидких и твердых тел лежат в весьма узком интервале значений (табл. 1). Плотности же газов варьируются в весьма широких пределах. Причина заключается в том, что как в твердых телах, так и в жидкостях частицы вплотную примыкают друг к другу. В этих средах расстояние между соседними частицами составляет величину порядка 1 А и сравнимо с размерами атомов и молекул. По этой причине твердые и жидкие тела обладают очень малой сжимаемостью, чем обусловлено малое различие в их плотности. В газах положение иное. Среднее расстояние между частицами значительно превышает их размеры. Например, для воздуха у поверхности Земли оно составляет 10 2 А. Вследствие этого газы обладают большой сжимаемостью, а их плотность может изменяться в очень широких пределах.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Определите молярную концентрацию и массовую долю хлорида натрия в растворе, полученном растворением 14,36 г сухой соли в 100 мл воды (плотность раствора 1,146 г/мл).
Решение	Первоначально находим массу раствора: m solution = m(NaCl) + m(H 2 O); m(H 2 O) = r(H 2 O) ×V(H 2 O); m(H 2 O) = 1 × 100 = 100 г. m solution = 14,63 + 100 = 114,63 г. Рассчитаем массовую долю хлорида натрия в растворе: w(NaCl) = m(NaCl) / m solution ; w(NaCl) = 14,63 / 114,63 = 0,1276 (12,76%). Найдем объем раствора и количество вещества хлорида натрия в нем: V solution = m solution / r solution ; V solution = 114,63 / 1,146 = 100 мл = 0,1 л. n(NaCl) = m(NaCl) / M(NaCl); M(NaCl) = Ar(Na) + Ar(Cl) = 23 + 35,5 = 58,5 г/моль; n(NaCl) = 14,63 / 58,5 = 0,25 моль. Тогда, молярная концентрация раствора хлорида натрия в воде будет равна: C(NaCl) = n(NaCl) / V solution ; C(NaCl) = 0,25 / 0,1 = 2,5 моль/л.
Ответ	Массовая доля хлорида натрия в растворе равна 12,76%, а молярная концентрация раствора хлорида натрия в воде — 2,5 моль/л.

ПРИМЕР 2

Задание	Какую массу медного купороса можно получить упариванием 300 мл раствора сульфата меди с массовой долей сульфата меди 15% и плотностью 1,15 г/мл?
Решение	Найдем массу раствора: m solution = V solution ×r solution ; m solution = 300 × 1,15 = 345 г. Рассчитаем массу растворенного сульфата меди: w(CuSO 4) = m(CuSO 4) / m solution ; m(CuSO 4) = m solution ×w(CuSO 4); m(CuSO 4) = 345 × 0,15 = 51,75 г. Определим количество вещества сульфата меди: n(CuSO 4) = m(CuSO 4) / M(CuSO 4); M(CuSO 4) = Ar(Cu) + Ar(S) + 4 ×Ar(O) = 64 + 32 + 4 × 16 = 98 + 64 = 160 г/моль; n(CuSO 4) = 51,75 / 160 = 0,3234 моль. В одном моле медного купороса (CuSO 4 × 5H 2 O) содержится 1 моль сульфата меди, поэтому n(CuSO 4) = n(CuSO 4 × 5H 2 O) = 0,3234 моль. Найдем массу медного купороса: m(CuSO 4 × 5H 2 O) = n(CuSO 4 × 5H 2 O) ×M(CuSO 4 × 5H 2 O); M(CuSO 4 × 5H 2 O) = M(CuSO 4) + 5 × M(H 2 O); M(H 2 O) = 2 ×Ar(H) + Ar(O) = 2 × 1 + 16 = 2 + 16 = 18 г/моль; M(CuSO 4 × 5H 2 O) = 160 + 5 × 18 = 160 + 90 = 250 г/моль; m(CuSO 4 × 5H 2 O) = 0,3234 × 250 = 80,85 г.
Ответ	Масса медного купороса 80,85 г.

Приведена таблица плотности жидкостей при различных температурах и атмосферном давлении для наиболее распространенных жидкостей. Значения плотности в таблице соответствует указанным температурам, допускается интерполяция данных.

Множество веществ способны находится в жидком состоянии. Жидкости – вещества различного происхождения и состава, которые обладают текучестью, — они способны изменять свою форму под действием некоторых сил. Плотность жидкости – это отношение массы жидкости к объёму, который она занимает.

Рассмотрим примеры плотности некоторых жидкостей. Первое вещество, которое приходит в голову при слове «жидкость» — это вода. И это вовсе не случайно, ведь вода является самой распространённой субстанцией на планете, и поэтому её можно принять за идеал.

Равна 1000 кг/м 3 для дистиллированной и 1030 кг/м 3 для морской воды. Поскольку данная величина тесно взаимосвязана с температурой, стоит отметить, что данное «идеальное» значение получено при +3,7°С. Плотность кипящей воды будет несколько меньше – она равна 958,4 кг/м 3 при 100°С. При нагревании жидкостей их плотность, как правило, уменьшается.

Плотность воды близка по значению различным продуктам питания. Это такие продукты, как: раствор уксуса, вино, 20%-ные сливки и 30%-ная сметана. Отдельные продукты оказываются плотнее, к примеру, яичный желток — его плотность равна 1042 кг/м 3 . Плотнее воды оказывается, например, : ананасовый сок – 1084 кг/м 3 , виноградный сок – до 1361 кг/м 3 , апельсиновый сок — 1043 кг/м 3 , кока-кола и пиво – 1030 кг/м 3 .

Многие вещества по плотности уступают воде. К примеру, спирты оказываются гораздо легче воды. Так плотность равняется 789 кг/м 3 , бутилового – 810 кг/м 3 , метилового — 793 кг/м 3 (при 20°С). Отдельные виды топлива и масла обладают ещё более низкими значениями плотности: нефть — 730-940 кг/м 3 , бензин — 680-800 кг/м 3 . Плотность керосина составляет около 800 кг/м 3 , — 879 кг/м 3 , мазута – до 990 кг/м 3 .

Плотность жидкостей — таблица при различных температурах

Жидкость	Температура, °С	Плотность жидкости, кг/м 3
Анилин	0…20…40…60…80…100…140…180	1037…1023…1007…990…972…952…914…878
(ГОСТ 159-52)	-60…-40…0…20…40…80…120	1143…1129…1102…1089…1076…1048…1011
Ацетон C 3 H 6 O	0…20	813…791
Белок куриного яйца	20	1042
	20	680-800
	7…20…40…60	910…879…858…836
Бром	20	3120
Вода	0…4…20…60…100…150…200…250…370	999,9…1000…998,2…983,2…958,4…917…863…799…450,5
Вода морская	20	1010-1050
Вода тяжелая	10…20…50…100…150…200…250	1106…1105…1096…1063…1017…957…881
Водка	0…20…40…60…80	949…935…920…903…888
Вино крепленое	20	1025
Вино сухое	20	993
Газойль	20…60…100…160…200…260…300	848…826…801…761…733…688…656
	20…60…100…160…200…240	1260…1239…1207…1143…1090…1025
ГТФ (теплоноситель)	27…127…227…327	980…880…800…750
Даутерм	20…50…100…150…200	1060…1036…995…953…912
Желток яйца куры	20	1029
Карборан	27	1000
	20	802-840
Кислота азотная HNO 3 (100%-ная)	-10…0…10…20…30…40…50	1567…1549…1531…1513…1495…1477…1459
Кислота пальмитиновая C 16 H 32 O 2 (конц.)	62	853
Кислота серная H 2 SO 4 (конц.)	20	1830
Кислота соляная HCl (20%-ная)	20	1100
Кислота уксусная CH 3 COOH (конц.)	20	1049
Коньяк	20	952
Креозот	15	1040-1100
	37	1050-1062
Ксилол C 8 H 10	20	880
Купорос медный (10%)	20	1107
Купорос медный (20%)	20	1230
Ликер вишневый	20	1105
Мазут	20	890-990
Масло арахисовое	15	911-926
Масло машинное	20	890-920
Масло моторное Т	20	917
Масло оливковое	15	914-919
(рафинир.)	-20…20…60…100…150	947…926…898…871…836
Мед (обезвоженный)	20	1621
Метилацетат CH 3 COOCH 3	25	927
	20	1030
Молоко сгущенное с сахаром	20	1290-1310
Нафталин	230…250…270…300…320	865…850…835…812…794
Нефть	20	730-940
Олифа	20	930-950
Паста томатная	20	1110
Патока вареная	20	1460
Патока крахмальная	20	1433
ПАБ	20…80…120…200…260…340…400	990…961…939…883…837…769…710
Пиво	20	1008-1030
ПМС-100	20…60…80…100…120…160…180…200	967…934…917…901…884…850…834…817
ПЭС-5	20…60…80…100…120…160…180…200	998…971…957…943…929…902…888…874
Пюре яблочное	0	1056
(10%-ный)	20	1071
Раствор поваренной соли в воде (20%-ный)	20	1148
Раствор сахара в воде (насыщенный)	0…20…40…60…80…100	1314…1333…1353…1378…1405…1436
Ртуть	0…20…100…200…300…400	13596…13546…13350…13310…12880…12700
Сероуглерод	0	1293
Силикон (диэтилполисилоксан)	0…20…60…100…160…200…260…300	971…956…928…900…856…825…779…744
Сироп яблочный	20	1613
Скипидар	20	870
(жирность 30-83%)	20	939-1000
Смола	80	1200
Смола каменноугольная	20	1050-1250
Сок апельсиновый	15	1043
Сок виноградный	20	1056-1361
Сок грейпфрутовый	15	1062
Сок томатный	20	1030-1141
Сок яблочный	20	1030-1312
Спирт амиловый	20	814
Спирт бутиловый	20	810
Спирт изобутиловый	20	801
Спирт изопропиловый	20	785
Спирт метиловый	20	793
Спирт пропиловый	20	804
Спирт этиловый C 2 H 5 OH	0…20…40…80…100…150…200	806…789…772…735…716…649…557
Сплав натрий-калий (25%Na)	20…100…200…300…500…700	872…852…828…803…753…704
Сплав свинец-висмут (45%Pb)	130…200…300…400…500..600…700	10570…10490…10360…10240…10120..10000…9880
жидкое	20	1350-1530
Сыворотка молочная	20	1027
Тетракрезилоксисилан (CH 3 C 6 H 4 O) 4 Si	10…20…60…100…160…200…260…300…350	1135…1128…1097…1064…1019…987…936…902…858
Тетрахлордифенил C 12 H 6 Cl 4 (арохлор)	30…60…150…250…300	1440…1410…1320…1220…1170
	0…20…50…80…100…140	886…867…839…810…790…744
Топливо дизельное	20…40…60…80…100	879…865…852…838…825
Топливо карбюраторное	20	768
Топливо моторное	20	911
Топливо РТ		836…821…792…778…764…749…720…692…677…648
Топливо Т-1	-60…-40…0…20…40…60…100…140…160…200	867…853…824…819…808…795…766…736…720…685
Топливо Т-2	-60…-40…0…20…40…60…100…140…160…200	824…810…781…766…752…745…709…680…665…637
Топливо Т-6	-60…-40…0…20…40…60…100…140…160…200	898…883…855…841…827…813…784…756…742…713
Топливо Т-8	-60…-40…0…20…40…60…100…140…160…200	847…833…804…789…775…761…732…703…689…660
Топливо ТС-1	-60…-40…0…20…40…60…100…140…160…200	837…823…794…780…765…751…722…693…879…650
Углерод четыреххлористый (ЧХУ)	20	1595
Уроторопин C 6 H 12 N 2	27	1330
Фторбензол	20	1024
Хлорбензол	20	1066
Этилацетат	20	901
Этилбромид	20	1430
Этилиодид	20	1933
Этилхлорид	0	921
Эфир	0…20	736…720
Эфир Гарпиуса	27	1100

Низкими показателями плотности отличаются такие жидкости, как: скипидар 870 кг/м 3 ,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Масса – это скалярная физическая величина, характеризующая инертные и гравитационные свойства тел.

Любое тело «сопротивляется» попытке изменить его . Это свойство тел называется инертностью. Так, например, шофер не может мгновенно остановить автомобиль, увидев перед собой внезапно выскочившего на дорогу пешехода. По той же причине трудно сдвинуть с места шкаф или диван. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее. Говорят, что второе тело является более инертным или обладает большей массой.

Таким образом, мерой инертности тела является его инертная масса. Если два тела взаимодействуют друг с другом, то в результате изменяется скорость обоих тел, т.е. в процессе взаимодействия оба тела приобретают .

Отношение модулей ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс:

Мерой гравитационного взаимодействия является гравитационная масса.

Экспериментально установлено, что инертная и гравитационная массы пропорциональны друг другу. Выбрав коэффициент пропорциональности равный единице, говорят о равенстве инертной и гравитационной масс.

В системе СИ единицей измерения массы является кг .

Масса обладает следующими свойствами:

1. масса всегда положительна;
2. масса системы тел всегда равна сумме масс каждого из тел, входящих в систему (свойство аддитивности);
3. в рамках масса не зависит от характера и скорости движения тела (свойство инвариантности);
4. масса замкнутой системы сохраняется при любых взаимодействиях тел системы друг с другом (закон сохранения массы).

Плотность веществ

Плотностью тела называется масса единицы объема:

Единица измерения плотности в системе СИ кг/м .

Разные вещества обладают различной плотностью. Плотность вещества зависит от массы атомов, из которых оно состоит, и от плотности упаковки атомов и молекул в веществе. Чем больше масса атомов, тем больше плотность вещества. В различных агрегатных состояниях плотность упаковки атомов вещества различна. В твердых телах атомы очень плотно упакованы, поэтому вещества в твердом состоянии имеют наибольшую плотность. В жидком состоянии плотность вещества несущественно отличается от его плотности в твердом состоянии, так как плотность упаковки атомов все еще велика. В газах молекулы слабо связаны друг с другом и удаляются друг от друга на большие расстояния, плотность упаковки атомов в газообразном состоянии очень низкая, поэтому в этом состоянии вещества обладают наименьшей плотностью.

Основываясь на данных астрономических наблюдений, определили среднюю плотность вещества во Вселенной, результаты расчетов говорят о том, что в среднем космическое пространство чрезвычайно разрежено. Если «размазать» вещество по всему объему нашей Галактики, то средняя плотность материи в ней окажется равной примерно 0,000 000 000 000 000 000 000 000 5 г/см 3 . Средняя плотность материи во Вселенной — приблизительно шесть атомов на кубический метр.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Чугунный шар при объеме 125 см имеет массу 800 г. Является этот шар сплошным или полым?
Решение	Вычислим плотность шара по формуле: Переведем единицы в систему СИ: объем см м; масса г кг. По таблице плотность чугуна 7000 кг/м 3 . Так как полученное нами значение меньше табличного, шар является полым.
Ответ	Шар является полым.

ПРИМЕР 2

Задание	Во время аварии танкера в заливе образовалось пятно диаметром 640 м при средней толщине 208 см. Сколько нефти оказалось в море, если ее плотность 800 кг/м ?
Решение	Считая нефтяное пятно круглым, определим его площадь: C учетом того, что Объем нефтяного слоя равен произведению площади пятна на его толщину: Плотность нефти: откуда масса разлитой нефти: Переводим единицы в систему СИ: средняя толщина см м.
Ответ	В море оказалось кг нефти.

ПРИМЕР 3

Задание	Сплав состоит из олова массой 2,92 кг и свинца массой 1,13 кг. Какова плотность сплава?
Решение	Плотность сплава:

Во многих отраслях промышленного производства, а также в строительстве и сельском хозяйстве используется понятие "плотность материала". Это вычисляемая величина, которая является отношением массы вещества к занимаемому им объему. Зная такой параметр, например, у бетона, строители могут рассчитать необходимое количество его при заливке разных железобетонных конструкций: строительных блоков, перекрытий, монолитных стен, колонн, защитных саркофагов, бассейнов, шлюзов и других объектов.

Как определить плотность

Важно отметить, что, определяя плотность строительных материалов, можно использовать специальные справочные таблицы, где даны эти величины для различных веществ. Также разработаны методы и алгоритмы расчета, которые позволяют получать такие данные на практике, если отсутствует доступ к справочным материалам.

Плотность определяется у:

• жидких тел прибором ареометром (например, известный всем процесс измерения параметров электролита автомобильного аккумулятора);
• твердых и жидких веществ с помощью формулы при известных исходных данных массы и объема.

Все самостоятельные вычисления, конечно, будут иметь неточности, ведь сложно достоверно определить объем, если тело имеет неправильную форму.

Погрешности в измерениях плотности

• Погрешность систематическую. Она фигурирует постоянно или может изменяться по определенному закону в процессе нескольких измерений одного и того же параметра. Связана с погрешностью приборной шкалы, низким показателем чувствительности устройства или степенью точности формул расчета. Так, например, определяя массу тела при помощи разновесов и игнорируя воздействие выталкивающей силы, данные получают приблизительными.
• Погрешность случайную. Вызвана приходящими причинами и оказывает разное влияние на достоверность определяемых данных. Изменение температуры окружающей среды, атмосферного давления, вибрации в помещении, невидимые излучения и колебания воздуха - все это отражается на измерениях. Избежать такого влияния полностью невозможно.

• Погрешность в округлении величин. При получении промежуточных данных в расчете формул часто числа имеют множество значащих цифр после запятой. Необходимость ограничения количества этих знаков и предполагает появление погрешности. Частично снизить такую неточность можно, оставляя в промежуточных расчетах на несколько порядков цифр больше, чем требует конечный результат.
• Погрешности небрежности (промахи) возникают вследствие ошибочности вычислений, неправильности включения пределов измерения либо прибора в целом, неразборчивости контрольных записей. Полученные таким образом данные могут резко отличаться от аналогично проведенных расчетов. Поэтому их следует удалять, а работу выполнить заново.

Измерение истинной плотности

Рассматривая плотность материала строительства, нужно учитывать его истинный показатель. То есть когда структура вещества единицы объема не содержит в себе раковин, пустот и посторонних включений. На практике нет абсолютной однородности, когда, например, бетон заливают в форму. Чтобы определить реальную его прочность, которая напрямую зависит от плотности материала, проводят следующие операции:

• Структуру подвергают измельчению до состояния порошка. На этом этапе избавляются от пор.
• Просушивают в при температуре свыше 100 градусов, из пробы удаляют остатки влаги.
• Остужают до комнатной температуры и пропускают через мелкое сито с размером ячейки в 0,20 х 0,20 мм, придавая однородность порошку.
• Полученный образец взвешивают на электронных весах высокой точности. Объем вычисляют в объемомере методом погружения в жидкую структуру и измерения вытесненной жидкости (пикнометрический анализ).

Расчет проводят по формуле:

где m - масса образца в г;

V - величина объема в см 3 .

Часто применимо измерение плотности в кг/м 3 .

Средняя плотность материала

Чтобы определить, как ведут себя строительные материалы в реальных условиях эксплуатации под воздействием влаги, положительных и отрицательных температур, механических нагрузок, нужно использовать средний показатель плотности. Он характеризует физическое состояние материалов.

Если истинная плотность - неизменная величина и зависит лишь от химического состава и структуры кристаллической решетки вещества, то средняя плотность определяется пористостью структуры. Она представляет собой отношение массы материала в однородном состоянии к объему занимаемого пространства в естественных условиях.

Средняя плотность дает представление инженеру о механической прочности, степени влагопоглощения, коэффициенте теплопроводности и других важных факторах, используемых в строительстве элементов.

Понятие насыпной плотности

Вводят для анализа сыпучих строительных материалов (песка, гравия, керамзита и др.). Показатель важен для расчета экономически выгодного применения тех или иных компонентов строительной смеси. Он показывает отношение массы вещества к объему, который оно занимает в состоянии рыхлой структуры.

Например, если известна материала зернистой формы и средняя плотность зерен, то легко определить параметр пустотности. При изготовлении бетона целесообразнее применять наполнитель (гравий, щебень, песок), обладающий меньшей пористостью сухого вещества, так как на его заполнение пойдет базовый цементный материал, что увеличит себестоимость.

Показатели плотности некоторых материалов

Если взять расчетные данные некоторых таблиц, то в них:

• материалов, в составе которых присутствуют оксиды кальция, кремния и алюминия, варьируется от 2400 до 3100 кг на м 3.
• Древесных пород с основой из целлюлозы - 1550 кг на м 3 .
• Органики (углерод, кислород, водород) - 800-1400 кг на м 3 .
• Металлов: сталь - 7850, алюминий - 2700, свинец - 11300 кг на м 3 .

При современных технологиях строительства зданий показатель плотности материала важен с точки зрения прочности несущих конструкций. Все теплоизоляционные и влагоизоляционные функции выполняют материалы низкой плотности со структурой закрытых пор.