Poté, co se studenti seznámili s pojmem hmotnost a objem látek ve fyzice, studují důležitou vlastnost každého tělesa, která se nazývá hustota. Této hodnotě je věnován následující článek. Otázky fyzikálního významu hustoty jsou odhaleny níže. Je uveden také vzorec hustoty. Jsou popsány metody pro jeho experimentální měření.
Koncept hustoty
Začněme článek přímým záznamem vzorce pro hustotu hmoty. Vypadá to takto:
ρ=m / V.
Zde m je hmotnost uvažovaného tělesa. Vyjadřuje se v soustavě SI v kilogramech. V úlohách a v praxi můžete najít i další jednotky jeho měření, například gramy nebo tuny.
Symbol V ve vzorci označuje objem, který charakterizuje geometrické parametry tělesa. Měří se v SI v metrech krychlových, ale používají se také kubické kilometry, litry, mililitry atd.
Vzorec hustoty ukazuje, jaká hmotnost látky je obsažena v jednotcehlasitost. Pomocí hodnoty ρ lze odhadnout, které ze dvou těles bude mít větší hmotnost se stejnými objemy, nebo které z těchto dvou těles bude mít větší objem se stejnými hmotnostmi. Například dřevo je méně husté než železo. Proto při stejných objemech těchto látek hmotnost železa výrazně překročí stejnou hodnotu pro strom.
Koncept relativní hustoty
Samotný název této veličiny naznačuje, že studovaná hodnota pro jedno tělo bude považována za relativní k podobné charakteristice pro jiné. Vzorec pro relativní hustotu ρr vypadá takto:
ρr=ρs / ρ0.
Kde ρs je hustota měřeného materiálu, ρ0 je hustota, vůči které je hodnota ρ r se měří . Je zřejmé, že ρr je bezrozměrné. Ukazuje, kolikrát je měřená látka hustší než vybraný standard.
Pro kapaliny a pevné látky jako standard ρ0 zvolte tuto hodnotu pro destilovanou vodu o teplotě 4 oC. Právě při této teplotě má voda maximální hustotu, což je vhodná hodnota pro výpočty – 1000 kg/m3 nebo 1 kg/l.
U plynových systémů je obvyklé standardně používat hustotu vzduchu při atmosférickém tlaku a teplotě 0 oC.
Závislost hustoty na tlaku a teplotě
Studovaná hodnota není pro konkrétní tělo konstantní,pokud změníte jeho teplotu nebo vnější tlak. Kapaliny a pevné látky jsou však v mnoha situacích nestlačitelné, což znamená, že jejich hustota zůstává konstantní, jak se mění tlak, stejně jako změny teploty.
Vliv tlaku se projevuje následovně: při jeho zvětšování se zmenšují průměrné meziatomové a mezimolekulární vzdálenosti, čímž se zvyšuje počet molů látky na jednotku objemu. Hustota se tedy zvyšuje. Jasný vliv tlaku na studovanou charakteristiku je pozorován v případě plynů.
Teplota má opačný účinek než tlak. S nárůstem teploty se zvyšuje kinetická energie částic hmoty, začnou se aktivněji pohybovat, což vede ke zvýšení průměrných vzdáleností mezi nimi. Poslední skutečnost vede ke snížení hustoty.
Tento efekt je opět výraznější u plynů než u kapalin a pevných látek. Z tohoto pravidla existuje výjimka - to je voda. Experimentálně bylo zjištěno, že v teplotním rozsahu 0-4 oС jeho hustota roste s ohřevem.
Homogenní a nehomogenní tělesa
Výše napsaný vzorec hustoty odpovídá tzv. průměru ρ pro uvažované těleso. Pokud do něj alokujeme nějaký malý objem, pak se vypočtená hodnota ρi může od předchozí hodnoty značně lišit. Tato skutečnost souvisí s přítomností nerovnoměrného rozložení hmoty na objemu. V tomto případě hustotaρi se nazývá místní.
Vzhledem k problému nerovnoměrného rozložení hmoty se zdá zajímavé objasnit jeden bod. Když začneme uvažovat elementární objem blízký atomovým měřítkům, dojde k porušení konceptu kontinuity média, což znamená, že nemá smysl používat charakteristiku lokální hustoty. Je známo, že téměř celá hmotnost atomu je soustředěna v jeho jádru, jehož poloměr je asi 10-13 metrů. Hustota jádra se odhaduje obrovským číslem. To je 2, 31017 kg/m3.
Měření hustoty
Výše bylo ukázáno, že podle vzorce je hustota rovna poměru hmotnosti k objemu. Tato skutečnost nám umožňuje určit specifikovanou charakteristiku pouhým zvážením tělesa a změřením jeho geometrických parametrů.
Pokud je tvar tělesa velmi složitý, pak univerzální metodou pro stanovení hustoty bude hydrostatické vážení. Je založen na použití Archimedovy síly. Podstata metody je jednoduchá. Tělo se nejprve zváží ve vzduchu a poté ve vodě. Rozdíl hmotnosti se používá k výpočtu neznámé hustoty. K tomu použijte následující vzorec:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
kde P0, Pl - tělesná hmotnost ve vzduchu a kapalině. V souladu s tím je ρl hustota kapaliny.
Metodu hydrostatického vážení ke stanovení hustoty podle legendy poprvé použil filozof ze SyrakusArchimedes. Byl schopen, aniž by narušil fyzickou integritu koruny, určit, že k její výrobě bylo použito nejen zlato, ale i jiné méně husté kovy.
