Como se mede a densidade de um material? densidade de vários materiais. Densidade de uma substância: fórmula, definição e dependência da temperatura
Entre todas as outras substâncias do planeta Terra, os gases têm a menor densidade. Os líquidos, via de regra, são caracterizados por uma densidade mais alta em comparação a eles, e o valor máximo desse indicador pode ser encontrado nos sólidos. Assim, por exemplo, o ósmio é considerado o metal mais denso.
Medição de densidade
Para medir a densidade, assim como outras áreas temáticas, este conceito adotou uma unidade de medida especial e complexa baseada na relação da densidade com a massa e o volume de uma substância. Assim, no sistema internacional de unidades SI, a unidade usada para descrever a densidade de uma substância é o quilograma por metro cúbico, que geralmente é denotado como kg/m³.No entanto, caso se nós estamos falando sobre volumes muito pequenos de matéria para os quais a densidade deve ser medida, aplica-se o uso da derivada desta unidade convencional, expressa em gramas por centímetro cúbico. Na forma abreviada, esta unidade é geralmente denotada g/cm³.
Ao mesmo tempo, a densidade de várias substâncias tende a mudar dependendo da temperatura: na maioria dos casos, sua diminuição acarreta um aumento na densidade da substância. Assim, por exemplo, o ar comum a uma temperatura de + 20 ° C tem uma densidade igual a 1,20 kg / m³, enquanto quando a temperatura cai para 0 ° C, sua densidade aumentará para 1,29 kg / m³ e com sua diminuição adicional a -50 ° C, a densidade do ar chegará a 1,58 kg/m³. Ao mesmo tempo, algumas substâncias são uma exceção a essa regra, pois a mudança em sua densidade não segue esse padrão: incluem, por exemplo, a água.
Vários instrumentos físicos são usados para medir a densidade de substâncias. Assim, por exemplo, você pode medir a densidade de um líquido usando um hidrômetro e, para determinar a densidade de uma substância sólida ou gasosa, pode usar um picnômetro.
Depende não apenas do seu tamanho, mas também da substância de que o corpo é composto. Assim, corpos de mesmo volume, feitos de substâncias diferentes, têm massas diferentes, e vice-versa: corpos com as mesmas massas, feitos de substâncias diferentes, têm volumes diferentes.
Densidade corporal - dependência de massa e volume
Por exemplo, um cubo de ferro com uma aresta de 10 cm tem uma massa de 7,8 kg, um cubo de alumínio das mesmas dimensões tem uma massa de 2,7 kg e a massa do mesmo cubo de gelo é de 0,9 kg. A quantidade que caracteriza a massa por unidade de volume de uma dada substância é chamada de densidade. A densidade é igual ao quociente da massa do corpo e seu volume, ou seja,
ρ \u003d m / V, onde ρ (leia "ro") é a densidade do corpo, m é sua massa, V é o volume.
NO sistema internacional a densidade de unidades SI é medida em quilogramas por metro cúbico (kg/m3); unidades não sistêmicas também são frequentemente usadas, como gramas por centímetro cúbico (g/cm3). Obviamente, 1 kg/m3 = 0,001 g/cm3. Observe que quando as substâncias são aquecidas, sua densidade diminui ou (raramente) aumenta, mas essa mudança é tão insignificante que é desprezada nos cálculos.
Fazemos uma ressalva de que a densidade dos gases não é constante; ao falar sobre a densidade de um gás, geralmente significa sua densidade a 0 graus Celsius e pressão atmosférica normal (760 milímetros de mercúrio).
Cálculo de massa e volume corporal
NO Vida cotidiana muitas vezes nos deparamos com a necessidade de calcular massas e volumes corpos diferentes. É conveniente fazer isso aplicando densidade.
As densidades de várias substâncias são determinadas a partir de tabelas, por exemplo, a densidade da água é de 1000 kg/m3, a densidade do álcool etílico é de 800 kg/m3.
Da definição de densidade, segue-se que a massa de um corpo é igual ao produto de sua densidade e volume. O volume de um corpo é igual ao quociente de massa e densidade. Isso é usado nos cálculos:
m = ρ * V; ou V = m/p;
onde m é a massa do corpo dado, ρ é sua densidade, V é o volume do corpo.
Considere um exemplo de tal cálculo
Um copo vazio tem massa m1 = 200 g. Se água for despejada nele, sua massa será m2 = 400 g. Qual será a massa desse copo se a mesma quantidade (em volume) de mercúrio for derramada?
Solução. Vamos encontrar a massa da água derramada. Será igual à diferença entre a massa de um copo de água e a massa de um copo vazio:
mágua \u003d m2- m1 \u003d 400 g 200 g \u003d 200 g.
Encontre o volume dessa água:
V \u003d m / ρv \u003d 200 g / 1 g / cm3 \u003d 200 cm3 (pv é a densidade da água).
Encontre a massa de mercúrio neste volume:
mrt = ρrtV = 13,6 g/cm3 * * 200 cm3 = 2720 g.
Vamos encontrar a massa desejada:
m = mrt + m1 = 2720 g + 200 g = 2920 g.
Responda: a massa de um copo de mercúrio é 2920 gramas.
Considere um exemplo de cálculo mais complexo
Um lingote de dois metais com densidades ρ1 e ρ2 tem massa m e volume V. Determine o volume desses metais no lingote.
Solução. Seja V1 o volume do primeiro metal, V2 o volume do segundo metal. Então V1 + V2 = V; V1 = VV2; ρ1V1 + p2V2 = ρ1V1 + ρ2 (V V1) = m
A densidade é chamada quantidade física, que determina a razão entre a massa de um objeto, substância ou líquido e o volume que ocupam no espaço. Vamos falar sobre o que é densidade, como a densidade de um corpo e matéria difere, e como (usando qual fórmula) encontrar densidade na física.
Tipos de densidade
Deve ser esclarecido que a densidade pode ser dividida em vários tipos.
Dependendo do objeto em estudo:
- A densidade de um corpo - para corpos homogêneos - é relacionamento direto massa corporal ao seu volume ocupado no espaço.
- A densidade de uma substância é a densidade dos corpos que consistem dessa substância. A densidade das substâncias é constante. Existem tabelas especiais onde é indicada a densidade de diferentes substâncias. Por exemplo, a densidade do alumínio é de 2,7 * 103 kg / m 3. Conhecendo a densidade do alumínio e a massa do corpo que é feito dele, podemos calcular o volume desse corpo. Ou, sabendo que o corpo é feito de alumínio e conhecendo o volume desse corpo, podemos facilmente calcular sua massa. Como encontrar esses valores, consideraremos um pouco mais tarde, quando derivarmos uma fórmula para calcular a densidade.
- Se o corpo consiste em várias substâncias, para determinar sua densidade, é necessário calcular a densidade de suas partes para cada substância separadamente. Essa densidade é chamada de densidade média do corpo.
Dependendo da porosidade da substância de que o corpo é composto:
- A densidade verdadeira é a densidade calculada sem levar em conta os vazios no corpo.
- Gravidade Específica- ou densidade aparente - é aquela que é calculada levando em consideração os vazios de um corpo constituído por uma substância porosa ou friável.
Então, como você encontra a densidade?
Fórmula de densidade
A fórmula para ajudar a encontrar a densidade de um corpo é a seguinte:
- p = m / V, onde p é a densidade da substância, m é a massa do corpo, V é o volume do corpo no espaço.
Se calcularmos a densidade de um determinado gás, a fórmula ficará assim:
- p = M / V m p - densidade do gás, M - massa molar gás, V m - volume molar, que em condições normais igual a 22,4 l/mol.
Exemplo: a massa de uma substância é 15 kg, ela ocupa 5 litros. Qual é a densidade da matéria?
Solução: Substituir os valores na fórmula
- p = 15 / 5 = 3 (kg/l)
Resposta: a densidade da substância é 3 kg/l
Unidades de densidade
Além de saber como encontrar a densidade de um corpo e de uma substância, também é necessário conhecer as unidades de medida de densidade.
- Por sólidos- kg/m3, g/cm3
- Para líquidos - 1 g/l ou 10 3 kg/m 3
- Para gases - 1 g/l ou 10 3 kg/m 3
Você pode ler mais sobre unidades de densidade em nosso artigo.
Como encontrar densidade em casa
Para encontrar a densidade de um corpo ou substância em casa, você precisará:
- Escalas;
- centímetro se o corpo for sólido;
- Vaso, se você quiser medir a densidade de um líquido.
Para encontrar a densidade de um corpo em casa, você precisa medir seu volume com um centímetro ou vaso e depois colocar o corpo na balança. Se estiver medindo a densidade de um líquido, não se esqueça de subtrair a massa do recipiente no qual despejou o líquido antes de calcular. É muito mais difícil calcular a densidade dos gases em casa, recomendamos o uso de tabelas prontas nas quais as densidades de vários gases já são indicadas.
Como é que corpos que ocupam o mesmo volume no espaço podem ao mesmo tempo ter massas diferentes? É tudo sobre a sua densidade. Conhecemos esse conceito já na 7ª série, no primeiro ano de ensino de física na escola. É o conceito físico básico que pode abrir o MKT (teoria cinética molecular) para uma pessoa não apenas no curso de física, mas também na química. Com ele, uma pessoa pode caracterizar qualquer substância, seja água, madeira, chumbo ou ar.
Tipos de densidade
Então, essa é uma grandeza escalar, que é igual à razão entre a massa da substância em estudo e seu volume, ou seja, também pode ser chamada de gravidade específica. É denotado pela letra grega "ρ" (lida como "ro"), que não deve ser confundida com "p" - esta letra geralmente é usada para denotar pressão.
Como encontrar densidade na física? Use a fórmula da densidade: ρ = m/V
Este valor pode ser medido em g/l, g/m3 e, em geral, em quaisquer unidades relacionadas a massa e volume. Qual é a unidade SI para densidade? ρ = [kg/m3]. A tradução entre essas unidades é realizada por meio de operações matemáticas elementares. No entanto maior aplicação tem a unidade de medida do SI.
Além da fórmula padrão, que é usada apenas para sólidos, existe também uma fórmula para gás em condições normais (n.o.).
ρ (gás) = M/Vm
M - massa molar do gás [g/mol], Vm - volume molar gás (em condições normais, este valor é de 22,4 l/mol).
Para definir mais completamente este conceito, vale a pena esclarecer exatamente qual valor se entende.
- A densidade de corpos homogêneos é precisamente a razão entre a massa de um corpo e seu volume.
- Existe também o conceito de “densidade da substância”, ou seja, a densidade de um corpo não homogêneo homogêneo ou uniformemente distribuído que consiste dessa substância. Este valor é constante. Existem tabelas (que você provavelmente usou nas aulas de física) que coletam valorespara várias substâncias sólidas, líquidas e gasosas. Portanto, este indicador para água é de 1000 kg/m3. Conhecendo esse valor e, por exemplo, o volume do banho, podemos determinar a massa de água que caberá nele substituindo os valores conhecidos na forma acima.
- No entanto, nem todas as substâncias são homogêneas. Para tanto, foi criado o termo "densidade corporal média". Para derivar esse valor, é necessário conhecer o ρ de cada componente de uma determinada substância separadamente e calcular o valor médio.
Corpos porosos e friáveis, entre outras coisas, possuem:
- Densidade verdadeira, que é determinada sem levar em consideração os vazios na estrutura.
- Densidade específica (aparente), que pode ser calculada dividindo a massa de uma substância pelo volume total que ela ocupa.
Essas duas grandezas estão interligadas pelo coeficiente de porosidade - a razão entre o volume de vazios (poros) e o volume total do corpo em estudo.
A densidade das substâncias pode depender de vários fatores, e alguns deles podem simultaneamente aumentar esse valor para algumas substâncias e reduzi-lo para outras. Por exemplo, em baixas temperaturas, esse valor geralmente aumenta, no entanto, existem várias substâncias cuja densidade se comporta de forma anômala em uma determinada faixa de temperatura. Essas substâncias incluem ferro fundido, água e bronze (uma liga de cobre e estanho).
Por exemplo, o ρ da água é mais alto a 4 °C e pode mudar em relação a esse valor tanto quando aquecido quanto quando resfriado.
Vale ressaltar também que quando uma substância passa de um meio para outro (sólido-líquido-gasoso), ou seja, quando o estado de agregação muda, ρ também muda seu valor e o faz em saltos: aumenta durante a transição de gás para líquido e durante a cristalização líquida. No entanto, há uma série de exceções aqui também. Por exemplo, bismuto e silício são de pouco valor na solidificação. Fato interessante: a água durante a cristalização, ou seja, quando se transforma em gelo, também reduz seu desempenho, e é por isso que o gelo não afunda na água.
Como calcular facilmente a densidade de vários corpos
Vamos precisar dos seguintes equipamentos:
- Escalas.
- Centímetro (medida), se o corpo investigado estiver em estado sólido de agregação.
- Balão volumétrico se a substância de teste for um líquido.
Para começar, medimos o volume do corpo em estudo usando um centímetro ou balão volumétrico. No caso de um líquido, simplesmente olhamos a escala disponível e registramos o resultado. Para uma viga de madeira de forma cúbica, será, portanto, igual ao valor do lado elevado à terceira potência. Tendo medido o volume, colocamos o objeto em estudo na balança e registramos o valor da massa. Importante! Se você estiver examinando um líquido, não se esqueça de levar em consideração a massa do recipiente no qual o objeto em estudo é despejado. Substituímos os valores obtidos experimentalmente na fórmula descrita acima e calculamos o indicador desejado.
Deve-se dizer que este indicador para vários gases sem instrumentos especiais é muito mais difícil de calcular, portanto, se você precisar de seus valores, é melhor usar valores prontos da tabela de densidade de substâncias.
Além disso, para medir esse valor, são usados dispositivos especiais:
- O picnômetro mostra a densidade real.
- O hidrômetro é projetado para medir este indicador em líquidos.
- Burik Kachinsky e perfurar Zaidelman - dispositivos para explorar o solo.
- Um medidor de densidade vibratório é usado para medir uma determinada quantidade de líquidos e vários gases sob pressão.
Em muitas indústrias produção industrial bem como na construção e agricultura o conceito de "densidade do material" é usado. Este é um valor calculado, que é a razão entre a massa de uma substância e o volume que ela ocupa. Conhecendo esse parâmetro, por exemplo, para concreto, os construtores podem calcular quantidade necessária ao derramar várias estruturas de concreto armado: blocos de construção, tetos, paredes monolíticas, colunas, sarcófagos de proteção, piscinas, eclusas e outros objetos.
Como determinar a densidade
É importante notar que ao determinar a densidade materiais de construção, você pode usar tabelas de referência especiais, onde esses valores são fornecidos para várias substâncias. Também foram desenvolvidos métodos de cálculo e algoritmos que possibilitam a obtenção desses dados na prática, caso não haja acesso a materiais de referência.
A densidade é determinada a partir de:
- corpos líquidos com um dispositivo de hidrômetro (por exemplo, o conhecido processo de medição dos parâmetros do eletrólito de uma bateria de carro);
- duro e substâncias líquidas usando uma fórmula com dados iniciais conhecidos de massa e volume.
Todos os cálculos independentes, é claro, terão imprecisões, porque é difícil determinar com segurança o volume se o corpo tiver uma forma irregular.
Incertezas nas Medições de Densidade
- O erro é sistemático. Ele aparece constantemente ou pode mudar de acordo com uma determinada lei no processo de várias medições do mesmo parâmetro. Está associado ao erro da escala do instrumento, à baixa sensibilidade do dispositivo ou ao grau de precisão das fórmulas de cálculo. Assim, por exemplo, determinando o peso corporal usando pesos e ignorando o efeito da flutuabilidade, os dados são aproximados.
- O erro é aleatório. chamado causas vindouras e renderiza influência diferente sobre a confiabilidade dos dados determinados. Mudança de temperatura meio Ambiente, pressão atmosférica, vibrações na sala, radiação invisível e flutuações no ar - tudo isso se reflete nas medições. É completamente impossível evitar tal influência.
- Erro no arredondamento dos valores. Ao obter dados intermediários no cálculo de fórmulas, os números geralmente têm um conjunto algarismos significativos depois da vírgula. A necessidade de limitar o número desses caracteres implica o aparecimento de um erro. Essa imprecisão pode ser parcialmente reduzida deixando nos cálculos intermediários várias ordens de grandeza a mais do que o resultado final requer.
- Erros de negligência (misses) surgem devido a cálculos errôneos, inclusão incorreta de limites de medição ou do dispositivo como um todo, ilegibilidade dos registros de controle. Os dados obtidos desta forma podem diferir nitidamente de cálculos semelhantes. Portanto, eles devem ser excluídos e o trabalho feito novamente.
Medição de densidade real
Considerando a densidade do material de construção, você precisa levar em consideração seu verdadeiro indicador. Ou seja, quando a estrutura da substância de uma unidade de volume não contém conchas, vazios e inclusões estranhas. Na prática, não há uniformidade absoluta quando, por exemplo, o concreto é derramado em um molde. Para determinar sua resistência real, que depende diretamente da densidade do material, são realizadas as seguintes operações:
- A estrutura é submetida a moagem a um estado de pó. Nesta fase, livre-se dos poros.
- Secar a uma temperatura superior a 100 graus, a umidade restante é removida da amostra.
- Arrefecer à temperatura ambiente e passar por uma peneira fina com malha de 0,20 x 0,20 mm, dando uniformidade ao pó.
- A amostra resultante é pesada em uma balança eletrônica de alta precisão. O volume é calculado em um medidor volumétrico por imersão em uma estrutura líquida e medição do líquido deslocado (análise picnométrica).
O cálculo é feito de acordo com a fórmula:
onde m é a massa da amostra em g;
V é o valor do volume em cm 3.
A medição de densidade em kg/m 3 é frequentemente aplicável.
Densidade média do material
Para determinar como os materiais de construção se comportam em condições reais de operação sob a influência da umidade, temperaturas positivas e negativas, cargas mecânicas, você precisa usar a densidade média. Ele caracteriza Estado físico materiais.
Se a densidade verdadeira é um valor constante e depende apenas de composição química e estruturas estrutura de cristal substância, a densidade média é determinada pela porosidade da estrutura. É a razão entre a massa de material em estado homogêneo e o volume de espaço ocupado em condições naturais.
A densidade média dá ao engenheiro uma ideia da resistência mecânica, grau de absorção de umidade, condutividade térmica e outros fatores importantes utilizados na construção dos elementos.
O conceito de densidade
Introduzido para a análise de materiais de construção a granel (areia, cascalho, argila expandida, etc.). O indicador é importante para calcular o uso econômico de certos componentes da mistura de construção. Mostra a razão entre a massa de uma substância e o volume que ela ocupa em um estado de estrutura solta.
Por exemplo, se o material granular e a densidade média de grãos são conhecidos, é fácil determinar o parâmetro de voidage. Na fabricação de concreto, é mais conveniente usar um enchimento (brita, brita, areia), que possui uma porosidade menor da matéria seca, pois o material de cimento base será usado para preenchê-lo, o que aumentará o custo .
Valores de densidade de alguns materiais
Se pegarmos os dados calculados de algumas tabelas, então nelas:
- materiais, que contêm óxidos de cálcio, silício e alumínio, varia de 2.400 a 3.100 kg por m 3.
- Espécies de árvores com base de celulose - 1550 kg por m 3.
- Orgânicos (carbono, oxigênio, hidrogênio) - 800-1400 kg por m 3.
- Metais: aço - 7850, alumínio - 2700, chumbo - 11300 kg por m 3.
No tecnologias modernas construção de edifícios, o indicador de densidade do material é importante do ponto de vista da resistência das estruturas de suporte de carga. Todas as funções de isolamento térmico e à prova de umidade são realizadas por materiais de baixa densidade com uma estrutura de poros fechados.