Po tom, ako sa študenti zoznámili s pojmom hmotnosť a objem látok vo fyzike, študujú dôležitú vlastnosť každého telesa, ktorá sa nazýva hustota. Tejto hodnote je venovaný nasledujúci článok. Otázky fyzikálneho významu hustoty sú uvedené nižšie. Uvedený je aj vzorec hustoty. Sú opísané metódy na jeho experimentálne meranie.
Koncept hustoty
Začnime článok priamym zaznamenaním vzorca pre hustotu hmoty. Vyzerá to takto:
ρ=m / V.
M je hmotnosť uvažovaného telesa. Vyjadruje sa v sústave SI v kilogramoch. V úlohách a v praxi môžete nájsť aj iné jednotky jeho merania, napríklad gramy alebo tony.
Symbol V vo vzorci označuje objem, ktorý charakterizuje geometrické parametre telesa. Meria sa v SI v kubických metroch, ale používajú sa aj kubické kilometre, litre, mililitre atď.
Vzorec hustoty ukazuje, aká hmotnosť látky je obsiahnutá v jednotkeobjem. Pomocou hodnoty ρ je možné odhadnúť, ktoré z dvoch telies bude mať väčšiu hmotnosť pri rovnakých objemoch, alebo ktoré z dvoch telies bude mať väčší objem s rovnakými hmotnosťami. Napríklad drevo je menej husté ako železo. Preto pri rovnakých objemoch týchto látok hmotnosť železa výrazne prekročí rovnakú hodnotu pre strom.
Koncept relatívnej hustoty
Samotný názov tejto veličiny naznačuje, že skúmaná hodnota pre jedno telo sa bude považovať za relatívnu k podobnej charakteristike pre iné. Vzorec pre relatívnu hustotu ρr vyzerá takto:
ρr=ρs / ρ0.
Kde ρs je hustota meraného materiálu, ρ0 je hustota, voči ktorej je hodnota ρ r sa meria . Je zrejmé, že ρr je bezrozmerné. Ukazuje, koľkokrát je meraná látka hustejšia ako zvolený štandard.
Pre kvapaliny a tuhé látky, štandardne ρ0 zvoľte túto hodnotu pre destilovanú vodu s teplotou 4 oC. Práve pri tejto teplote má voda maximálnu hustotu, čo je vhodná hodnota pre výpočty – 1000 kg/m3 alebo 1 kg/l.
Pre plynové systémy je obvyklé štandardne používať hustotu vzduchu pri atmosférickom tlaku a teplote 0 oC.
Závislosť hustoty od tlaku a teploty
Študovaná hodnota nie je pre konkrétne telo konštantná,ak zmeníte jeho teplotu alebo vonkajší tlak. Kvapaliny a pevné látky sú však v mnohých situáciách nestlačiteľné, čo znamená, že ich hustota zostáva konštantná pri zmenách tlaku, ako aj pri zmenách teploty.
Vplyv tlaku sa prejavuje nasledovne: pri jeho zvyšovaní sa zmenšujú priemerné medziatómové a medzimolekulové vzdialenosti, čím sa zvyšuje počet mólov látky na jednotku objemu. Takže hustota sa zvyšuje. Jasný vplyv tlaku na skúmanú charakteristiku je pozorovaný v prípade plynov.
Teplota má opačný účinok ako tlak. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje kinetická energia častíc hmoty, začínajú sa aktívnejšie pohybovať, čo vedie k zvýšeniu priemerných vzdialeností medzi nimi. Posledná skutočnosť vedie k zníženiu hustoty.
Tento efekt je opäť výraznejší pre plyny ako pre kvapaliny a tuhé látky. Z tohto pravidla existuje výnimka - toto je voda. Experimentálne sa zistilo, že v teplotnom rozsahu 0-4 oС sa jeho hustota zvyšuje so zahrievaním.
Homogénne a nehomogénne telesá
Vzorec hustoty napísaný vyššie zodpovedá takzvanému priemeru ρ pre uvažované teleso. Ak do nej pridelíme malý objem, potom sa vypočítaná hodnota ρi môže značne líšiť od predchádzajúcej hodnoty. Táto skutočnosť je spojená s prítomnosťou nerovnomerného rozloženia hmoty v objeme. V tomto prípade hustotaρi sa nazýva miestne.
Vzhľadom na problém nerovnomerného rozloženia hmoty sa zdá zaujímavé objasniť jeden bod. Keď začneme uvažovať o elementárnom objeme blízkom atómovým mierkam, poruší sa koncept strednej kontinuity, čo znamená, že nemá zmysel používať charakteristiku lokálnej hustoty. Je známe, že takmer celá hmotnosť atómu je sústredená v jeho jadre, ktorého polomer je asi 10-13 metrov. Hustota jadra sa odhaduje podľa obrovského čísla. Toto je 2, 31017 kg/m3.
Meranie hustoty
Vyššie bolo ukázané, že v súlade so vzorcom sa hustota rovná pomeru hmotnosti k objemu. Táto skutočnosť nám umožňuje určiť špecifikovanú charakteristiku jednoduchým vážením telesa a meraním jeho geometrických parametrov.
Ak je tvar tela veľmi zložitý, potom univerzálnou metódou na určenie hustoty bude hydrostatické váženie. Je založená na použití Archimedovskej sily. Podstata metódy je jednoduchá. Telo sa najprv váži na vzduchu a potom vo vode. Rozdiel v hmotnosti sa používa na výpočet neznámej hustoty. Ak to chcete urobiť, použite nasledujúci vzorec:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
kde P0, Pl - telesná hmotnosť vo vzduchu a tekutine. V súlade s tým je ρl hustota kvapaliny.
Metódu hydrostatického váženia na určenie hustoty podľa legendy prvýkrát použil filozof zo SyrakúzArchimedes. Dokázal bez porušenia fyzickej integrity koruny určiť, že na jej výrobu nebolo použité len zlato, ale aj iné menej husté kovy.
