Dopo che gli studenti hanno familiarizzato con il concetto di massa e volume delle sostanze in fisica, studiano una caratteristica importante di qualsiasi corpo, che si chiama densità. L'articolo seguente è dedicato a questo valore. Le domande sul significato fisico della densità sono rivelate di seguito. Viene fornita anche la formula della densità. Vengono descritti i metodi per la sua misurazione sperimentale.
Il concetto di densità
Iniziamo l'articolo con una registrazione diretta della formula per la densità della materia. Si presenta così:
ρ=m / V.
Qui m è la massa del corpo considerato. È espresso nel sistema SI in chilogrammi. Nelle attività e nella pratica, puoi trovare anche altre unità di misura, ad esempio grammi o tonnellate.
Il simbolo V nella formula indica il volume che caratterizza i parametri geometrici del corpo. Viene misurato in SI in metri cubi, tuttavia vengono utilizzati anche chilometri cubi, litri, millilitri, ecc.
La formula della densità mostra quale massa di una sostanza è contenuta in un'unitàvolume. Utilizzando il valore di ρ si può stimare quale dei due corpi avrà un peso maggiore a parità di volumi, o quale dei due corpi avrà un volume maggiore a parità di masse. Ad esempio, il legno è meno denso del ferro. Pertanto, a parità di volume di queste sostanze, la massa di ferro supererà significativamente lo stesso valore per un albero.
Il concetto di densità relativa
Il nome stesso di questa grandezza indica che il valore in studio per un corpo sarà considerato relativo ad una caratteristica simile per un altro. La formula per la densità relativa ρr appare così:
ρr=ρs / ρ0.
Dove ρs è la densità del materiale misurato, ρ0 è la densità rispetto alla quale il valore ρ r è misurato . Ovviamente, ρr è adimensionale. Mostra quante volte la sostanza misurata è più densa dello standard selezionato.
Per liquidi e solidi, come standard ρ0 scegliere questo valore per l'acqua distillata a una temperatura di 4 oC. È a questa temperatura che l'acqua ha una densità massima, che è un valore conveniente per i calcoli: 1000 kg/m3 o 1 kg/l.
Per i sistemi a gas, è consuetudine utilizzare la densità dell'aria a pressione atmosferica e temperatura 0 come standard oC.
Dipende della densità dalla pressione e dalla temperatura
Il valore studiato non è costante per un particolare corpo,se ne modifichi la temperatura o la pressione esterna. Tuttavia, liquidi e solidi sono incomprimibili in molte situazioni, il che significa che la loro densità rimane costante al variare della pressione e della temperatura.
L'influenza della pressione si manifesta come segue: quando aumenta, le distanze interatomiche e intermolecolari medie diminuiscono, il che aumenta il numero di moli di una sostanza per unità di volume. Quindi la densità è in aumento. Nel caso dei gas si osserva una chiara influenza della pressione sulla caratteristica in esame.
La temperatura ha l'effetto opposto della pressione. Con un aumento della temperatura, l'energia cinetica delle particelle di materia aumenta, iniziano a muoversi più attivamente, il che porta ad un aumento delle distanze medie tra di loro. Quest'ultimo fatto porta ad una diminuzione della densità.
Di nuovo, questo effetto è più pronunciato per i gas che per i liquidi e i solidi. C'è un'eccezione a questa regola: questa è l'acqua. È stato sperimentalmente stabilito che nell'intervallo di temperatura 0-4 oС la sua densità aumenta con il riscaldamento.
Corpi omogenei e disomogenei
La formula della densità sopra scritta corrisponde alla cosiddetta media ρ per il corpo considerato. Se gli allochiamo un piccolo volume, il valore calcolato ρi può differire notevolmente dal valore precedente. Questo fatto è connesso alla presenza di una distribuzione non uniforme della massa sul volume. In questo caso, la densitàρi si chiama locale.
Considerando la questione della distribuzione non uniforme della materia, sembra interessante chiarire un punto. Quando iniziamo a considerare un volume elementare vicino alle scale atomiche, il concetto di continuità media viene violato, il che significa che non ha senso utilizzare la caratteristica di densità locale. È noto che quasi l'intera massa di un atomo è concentrata nel suo nucleo, il cui raggio è di circa 10-13 metri. La densità del nucleo è stimata da una cifra enorme. Questo è 2, 31017 kg/m3.
Misurazione della densità
È stato mostrato sopra che, secondo la formula, la densità è uguale al rapporto tra massa e volume. Questo fatto ci permette di determinare la caratteristica specificata semplicemente pesando il corpo e misurandone i parametri geometrici.
Se la forma del corpo è molto complessa, il metodo universale per determinare la densità sarà la pesatura idrostatica. Si basa sull'uso della forza di Archimede. L'essenza del metodo è semplice. Il corpo viene prima pesato in aria e poi in acqua. La differenza di peso viene utilizzata per calcolare la densità sconosciuta. Per fare ciò, usa la seguente formula:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
dove P0, Pl - peso corporeo in aria e liquidi. Di conseguenza, ρl è la densità del liquido.
Il metodo della pesatura idrostatica per determinare la densità, secondo la leggenda, fu utilizzato per la prima volta da un filosofo siracusanoArchimede. Riuscì, senza violare l'integrità fisica della corona, a determinare che non solo l'oro, ma anche altri metalli meno densi erano usati per realizzarla.
