Определение массы и плотности жидкостей
где m — масса жидкости, г; V — ее объем, см3; р—плотность жидкости, г/см3.
Плотность жидкостей и растворов находят по справочным таблицам или определяют самостоятельно. В лабораторной практике наибольшее распространение получили два метода определения плотности: 1) определение степени погружения денсиметра з жидкость; 2) взвешивание жидкости в сосуде известного объема.
При определении плотности с помощью денсиметр а последний погружают в цилиндр с жидкостью, термостатированной при определенной температуре, обычно при 20 или 15 °С. (рис. 25).
Для измерения температуры жидкости используют термометр с ценой деления не менее 0,5°С: неточность в измерении температуры в 1°С дает ошибку в значении плотности до 0,1%. Шкала денсиметров проградупрозана непосредственно в единицах плотности. Значение плотности жидкости считывают по делению шкалы, находящемуся на одном уровне с мениском жидкости.
Рис. 21. Определение плотности жидкости с помощью денсиметра.
Цена деления таких денсиметров 0,001 г/см3, а весь набор охватывает интервал плотностей от 0,700 до 1,840 г/см3. Иногда удобнее пользоваться приборами, шкала которых проградуирована в единицах концентрации для растворов определенных веществ. Такие приборы принято называть ареометрами.
В тех случаях, когда количество жидкости, находящейся в распоряжении экспериментатора, слишком мало, ее плотность определяют посредством пикнометров— небольших (от 1 до 100 мл) мерных колб.
На каждый находящийся в работе пикнометр должен быть нанесен номер титановым карандашом и заведена индивидуальная карточка, в которую закосят его точную массу (взвешивают чистый сухой пикнометр вместе с пробкой на аналитических весах) и значение «водной константы». Водная константа — эта масса воды в объеме пикнометра, приведенная к массе воды при 4 °С (температура, при которой плотность воды равна 1 г/см3).
С целью определения водной константы нового пикнометра его тщательно моют и заполняют предварительно прокипяченной (для удаления растворенного воздуха) дистиллированной водой немного выше метки.
Наполненный пикнометр выдерживают в течение 20 мин в водяном термостате при 20°С, после чего с помощью капилляра или тонких полосок фильтровальной бумаги отбирают лишнюю воду, доводя ее уровень в шейке пикнометра до метки по нижнему краю мениска. Верхнюю часть шейки пикнометра и шлиф протирают досуха кусочком фильтровальной бумаги, закрывают пикнометр пробкой, тщательно вытирают его снаружи, обсушивают 20—25 мин, после чего взвешивают на аналитических весах. Вычитая из массы пикнометра с водой массу сухого пикнометра получают массу воды в объеме пикнометра при 20 °С. Частное от деления полученного значения на 0,99823 г (масса 1 мл воды при 20 °С) и есть водная константа пикнометра.
При определении плотности какой-либо жидкости проделывают тс же операции, что и при определении водной константы. Для вычисления относительной плотности вещества d массу жидкости в объеме данного пикнометра делят на величину его водной константы
(4.6)
(4.7)
Поскольку плотность и относительная плотность зависят от температуры, подстрочным индексом указывают температуру, при которой измерялась плотность, например р25 и d20. Если плотность эталонного вещества измерена при температурах, отличных от приведенных выше, то символ относительной плотности снабжается двумя индексами. Например, обозначение d5-20 (N2O) = 1,5300 свидетельствует, что относительная плотность оксида диазота измерена при 25 °С относительно плотности воздуха, определенной при 5 °С.
(4.8)
Удельный вес зависит от ускорения свободного падения g и может быть выражен как произведение плотности вещества на ускорение свободного падения:
(4.9)
Плотность жидкости или раствора измеряют при помощи ареометров, гидростатических весов, пикнометров и др. способами. Плотность твердого вешества определяют пикнометрическим методом, гидростатическим взвешиванием и волюмометрически.
Рис. 85. Ареометры цилиндрические (а), веретенообразные (б) и с встроенным термометром (в). Мениск вокруг трубки ареометра (г):
При погружении в жидкость ареометр, согласно закону Архимеда, испытывает действие выталкивающей силы, равной весу вытесненной им жидкости. В тот момент, когда выталкивающая сила становится равной весу всего ареометра, наступает состояние равновесия, и ареометр начинает плавать в жидкости. Чем больше плотность жидкости, тем на меньшую глубину погружается ареометр. Поэтому численные значения плотности на шкале ареометра располагаются в возрастающем порядке сверху вниз.
Жидкость для измерения плотности наливают в стеклянный цилиндр с диаметром, вдвое превышающим диаметр корпуса ареометра, и высотой, большей, чем длина ареометра. Цилиндр перед заполнением жидкостью необходимо вымыть и высушить.
Заполненный жидкостью цилиндр выдерживают в комнате до тех пор, пока температура его содержимого не будет отличаться от температуры окружающего воздуха на ±2 °С Чтобы быстрее установилось тепловое равновесие, жидкость в цилиндре перемешивают стеклянной мешалкой с диском на конце, перемещая ее вверх и вниз по всей высоте столба жидкости, избегая попадания в нее пузырьков воздуха.
После выравнивания температур жидкости и воздуха в нее осторожно опускают ареометр, взяв его двумя пальцами за верхний конец трубки. Ареометр при опускании не должен задевать стенки цилиндра. Его не выпускают из пальцев до тех пор, пока отметка шкалы ожидаемой плотности не окажется на 3-5 мм выше уровня жидкости и не появится уверенность в том, что ареометр плавает. Если его отпустить преждевременно, то при быстром погружении в жидкость он ударится о дно цилиндра и может разбиться.
Такое случается при неправильном выборе ареометра для исследуемой жидкости. При погружении ареометра жидкость не должна смачивать верхнюю трубку намного выше отметки измеренной плотности. В противном случае показания ареометра будут неточными.
Погруженный ареометр выдерживают в жидкости 3-4 мин для выравнивания температур и определяют показания по нижнему краю мениска 2 (рис. 85, г). Об этом должно быть сказано в паспорте. Если такого указания нет, то ареометр следует проверить либо по образцовому ареометру, либо по показаниям пикнометрической (табличной) плотности известной жидкости.
Если температура исследуемой жидкости заметно отличается от температуры, указанной на ареометре (20 °С), в показания вводят поправку, найденную из соотношения:
(4.10)
Ареометры после использования обмывают водой, а затем этанолом, если их опускали в водные растворы веществ, или бензином, тетрахлоридом углерода и ацетоном, если исследуемая жидкость была органической. Затем ареометры высушивают сушильном шкафу или в эксикаторе (см. рис. 32) и хранят в закрытых сосудах.
Определение плотности с помощью гидростатических весов. При гидростатическом взвешивании стеклянный поплавок гидростатических весов (см. рис. 69) опускают в исследуемую жидкость. Плотность жидкости сразу же отсчитывают по массе гирь, взятых для достижения равновесия весов. Для измерения плотности жидкости сначала взвешивают (г) поплавок с его подвеской (проволокой) в воздухе (m1), а затем в чистой воде (m2) и после этого в исследуемой жидкости (m3). Первые два измерения проводят заранее и уже потом их не повторяют. Уровень жидкости в цилиндре всегда должен находиться на одной и той же отметке, нанесенной на проволоку, за которую подвешен поплавок к коромыслу весов. Таким образом, часть проволоки представляет собой небольшую постоянную долю общего объема поплавка.
Плотность исследуемой жидкости рt (г/см3) при температуре t после измерений вычисляют по уравнению
(4.11)
Часто оказывается достаточным принимать плотность воздуха равной 0,0012 г/см3. Однако изменения температуры, атмосферного давления и относительной влажности f может до 5% изменить плотность воздуха. Поэтому при точных измерениях рекомендуют записывать не только температуру и давление, но и относительную влажность воздуха f и вычислять Рвозд по формуле
(4.12)
Значение к находят из наблюдений за изменением относительной влажности f (%) и парциального давления пара воды в
воздухе (рв), взятого из справочных таблиц, по уравнению
(4.13)
Проволока для подвески поплавка должна быть очень тонкой и прямой, чтобы уменьшить влияние поверхностного натяжения Кроме того, она не должна взаимодействовать с жидкостью. Длина проволоки, погруженной в жидкость, обычно берется не более 15 мм, чтобы свести к минимуму уменьшение массы в жидкости.
При гидростатическом взвешивании температуру жидкости поддерживают постоянной и следят за тем чтобы на поверхности поплавка и части проволоки, погруженной в жидкость, не оседали пузырьки воздуха. Температуру жидкости в цилиндре измеряют с точностью до 0,1 °С до и после каждого взвешивания, принимая в расчет среднее из полученных значений. Термометр все время должен находиться в жидкости.
При определении плотности твердого вещества р, его подвешивают вместо поплавка. Твердым веществом может быть либо застывший расплав, в котором закреплена проволока для подвески, либо монокристалл или поликристалл, выращенные из раствора или расплава на затравке, укрепленной на проволоке-подвеске. Значение рt в г/см3) вычисляют по уравнению
Плотность вещества — формулы и примеры вычислений величины
Из учебного курса химии и физики вспоминаются решения задач с использованием разных показателей.
Окружающие тела состоят из веществ, масса каждого зависит от размера, объема и других критериев.
Плотность вещества показывает численное выражение массы тела в определенном объеме.
Существуют разные виды скалярной физической величины.
Общая характеристика
Каждый элемент занимает индивидуальную величину. Определение плотности может обозначаться греческой буквой ρ, D или d. Если объемы двух тел одинаковы, а массы различны, тогда плотности не идентичны.
Основные понятия
Определения и характеристики показателя известны с 7 класса школьной программы химии. Плотность представляет собой физическую величину о свойствах вещества. Это удельный вес любого элемента. Существует средняя и относительная плотность. Последняя классификация — это отношение плотности (П) вещества к П эталонного вещества. Часто за эталон принимают дистиллированную воду. Единица измерения П- кг/м3 в интернациональной системе.
Формула нахождения плотности:
Обозначения:
Кроме стандартной формулы плотности, применяемой для твердых состояний веществ, имеется формула для газообразных элементов в нормальных условиях.
Расшифровка:
Для сыпучих и пористых тел различают истинную плотность, вычисляемую без учета пустот, и удельную плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему объему. Истинную П получают через коэффициент пористости — доли объема пустот в занимаемом объеме. Для сыпучих тел удельная П называется насыпной.
Низкие показатели П имеет среда между Галактиками (1033 кг/м3).
Способы измерения:
Вещества состоят из молекулярных структур, масса тела формируется из скопления молекул. Аналогично вес пакета с карамелью складывается из масс всех конфет в мешке. Если все сладости одинаковые, то массу упаковки определяют умножением веса одной конфеты на количество штук.
Молекулярные частицы чистого вещества одинаковы, поэтому вес капли воды равен произведению массы 1 молекулы Н2О на число составляющих молекул в капле. Плотность вещества показывает, чему равна масса одного кубического метра.
Плотность воды — 1000 кг/м³, а масса 1 м³ Н2О равна 1000 килограмм. Это число можно вычислить, умножив массу 1 молекулы воды на количество молекулярных частиц, содержащихся в 1 м3 объема.
П льда составляет 900 кг/м³, это значит, что вес кубического метра льда равна 900 кг. Употребляют единицу измерения плотности г/см3.
При равнозначности физических масс двух тел их объемы различаются. Например, объём льда в девять раз больше объема бруска из металлического сплава. Масса тела распределяется неодинаково, устанавливает П в каждой точке тела.
Влияние факторов
П зависит от давления и температуры. При высоком давлении молекулы плотно прилегают друг к другу, поэтому вещество обладает значительной плотностью.
Зависимость показателей учитывается при расчете П. При повышении температуры П снижается из-за термического расширения, при котором объем вырастает, а масса остается прежней. Если температура снижается, П увеличивается, хотя имеются вещества, П которых при некоторых условиях температурного режима ведет себя иначе. Это вода, бронза, чугун. При фазовом переходе, модифицировании агрегатного состояния П меняется скачками. Условия вычисления зависят от свойств веществ, молекулярных элементов. Для разных природных объектов П изменяется в широком диапазоне.
П воды ниже П льда из-за молекулярной структуры твердой формы жидкости. Вещество, переходя из жидкой в твердую форму, изменяет молекулярную структуру, расстояние между составными частицами сужается и плотность увеличивается. Зимой, если забыть слить воду из труб, их разрывает на части после замерзания. На П Н2О влияют примеси. У морской воды знак П выше, чем у пресной. При соединении в одном стакане двух типов жидкости пресная останется на поверхности. Чем выше концентрация соли, тем больше П воды.
Когда плотность вещества больше П воды, оно полностью погрузится в воду. Предметы, сделанные из материала по низкой П, будут плавать на поверхности воды. На практике эти свойства используются человеком. Сооружая суда, инженеры-проектировщики применяют материалы с высокой П. Корабли, теплоходы, яхты смогут затонуть во время плавания, в корпусах суден создают специальные полости, наполненные воздухом, ведь его П ниже плотности воды.
Чтобы наживка для рыбалки погрузилась в воду, ее обременяют тяжелым по плотности материалом, например, грузиком из металла (чаще свинца). Плотность сплава выше, чем у Н2О.
Жирные пятна масла, нефти, бензина остаются на поверхности воды из-за низкой П маслянистых веществ.
Практическое применение
Из учебников химии и физики вычисляют уровень плотности по формуле. Но также это можно сделать, используя онлайн-систему.
Значение показателя
Окружающий мир состоит из разных веществ.
Скамейка в парке или баня за городом сооружены из древесины, подошва утюга, сковорода выполнены из металла, покрышка колеса, велосипеда — из резины. Каждый предмет имеет свой вес.
Черные дыры Вселенной составляют наибольшую плотность 1014 кг/м3. Самый низкий показатель имеет область между Галактиками (2•10−31—5•10−31 кг/м³).
Таблица плотности веществ
| Вещество | Плотность (кг/м3) |
| Сухой воздух | 1,293 |
| Металлы | |
| Осмий | 22,61 |
| Родий | 12,41 |
| Иридий | 22,56 |
| Плутоний | 19,84 |
| Палладий | 12,02 |
| Свинец | 11,35 |
| Платина | 19,59 |
| Золото | 19,30 |
| Сталь | 7,8 |
| Алюминий | 2,7 |
| Медь | 8,94 |
| Газы | |
| Азот | 1,25 |
| Аммиак | 0,771 |
| Аргон | 1,784 |
| Жидкий водород | 70 |
| Гелий в жидком состоянии | 130 |
| Водород | 0,09 |
| Водяной пар | 0,598 |
| Воздух | 1,293 |
| Хлор | 3,214 |
| О2 | 1,429 |
| Углекислый газ | 1,977 |
| Остальные вещества | |
| Тело человека | На вдохе 940-990, при выдохе — 1010-1070 |
| Пресная вода | 1000 |
| Солнце | 1410 |
| Гранит | 2600 |
| Земля | 5520 |
| Железо | 7874 |
| Бензин | 710 |
| Керосин | 820 |
| Молоко | 1040 |
| Этанол | 789 |
| Ацетон | 792 |
| Морская вода | 1030 |
| Древесина | |
| Пихта | 0,39 |
| Ива | 0,46 |
| Ель | 0,45 |
| Сосна | 0,52 |
| Дуб | 0,69 |
П металлов изменяется от минимального значения у лития, который легче Н2О, до максимального значения у осмия, который тяжелее драгоценных металлов.
Способы расчета и примеры
В сети Интернет существует множество приложений для онлайн-расчета плотности веществ или материалов. В стандартные поля калькулятора вводится основная информация: масса, объем, единицы измерения. Плотность вычисляется автоматически по заданным параметрам и выводится на экран интерфейса. Можно перевести информативные данные в нужную единицу измерения.
Без использования учебной информации показатель П можно определить через физические опыты. Для лабораторных изучений нужны весы, сантиметр, если исследуемое тело находится в твердом состоянии. Для жидкости необходима колба.
Сначала измеряют объем тела, записывая результат по цифровой шкале (в сантиметрах или миллилитрах).
Вычисляя объем деревянного бруска квадратной формы, параметр стороны возводится в третью степень. Измеряя объемные характеристики, тело ставят на весы и записывают значение массы. Рассчитывая жидкое состояние, учитывают массу сосуда, куда помещено исследуемое. В формулу подставляют данные и рассчитывают показатель.
Поскольку П измеряется в кг/л или в г/см³, то иногда приходится пересчитывать одни величины в другие.
Пример 1:
Пример 2:
Нужно перевести см 3 в кубические метры, а граммы — в килограммы.
Показатель имеет большое значение в разных сферах жизни и деятельности. Он определяется по таблице или высчитывается расчетным путем.
Плотность жидкости
Вы будете перенаправлены на Автор24
Любая жидкость обладает собственными неповторимыми свойствами и характеристиками. В физике принято рассматривать ряд явлений, которые связаны с этим специфическими характеристиками.
Рисунок 1. Плотность жидкостей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Жидкости обычно разделяют на две основные категории:
Рисунок 2. Вычисление плотности жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Эти классы жидкостей имеют принципиальные различия между собой. Так капельные жидкости существенно отличаются от газообразных. Они обладают определенным объемом. Его величина не будет изменяться под действием каких-либо внешних сил. В газообразном состоянии жидкости могут занимать весь объем, который у них имеется. Также подобный класс жидкости может в значительной степени изменять свой собственный объем, если на него влияют определенные внешние силы.
У жидкостей любого типа есть три свойства, с которыми они не могут расстаться:
Эти свойства способны влиять на многочисленные законы их движения, поэтому они имеют главное значение в процессе изучения и применения знаний на практике.
Понятие плотности жидкости
Масса, которая заключена в единицу объема, называется плотностью жидкости. Если поступательно повышать единицу давления, то объем воды будет стремиться к уменьшению от первоначальной его величины. Разница значений составляет примерно 1 к 20000. Такой же порядок чисел будет иметь коэффициент объемного сжатия для иных капельных жидкостей. Как правило, на практике установлено, что серьезных изменений давления не происходит, поэтому принято не использовать на практике сжимаемость воды при расчете удельного веса и плотности в зависимости от давления.
Готовые работы на аналогичную тему
Рисунок 3. Плотности различных жидкостей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Для расчетов плотности жидкости вводится понятие температурного расширения для капельных жидкостей. Оно характеризуется коэффициентом температурного расширения, которое выражает увеличение объема жидкости при увеличении температурного режима на 10 градусов по шкале Цельсия.
Таким образом, формируется показатель плотности для определенной жидкости. Ее принято учитывать при различном атмосферном давлении, температурных показателях. Выше представлена таблица, которая показывает плотности основных видов жидкостей.
Плотность воды
Плотность воды также довольно близка к ряду распространенных продуктов питания. Ее можно сравнить с вином, раствором уксуса, обезжиренным молоком, сливками, сметаной. Некоторые виды продуктов имеют более высокие показатели по плотности. Однако немало среди продуктов питания и напитков таких, которые существенно могут уступить классической воде. Среди них обычно выделяют спирты, а также нефтепродукты, включая мазут, керосин и бензин.
Если необходимо рассчитать плотность некоторых газов, тогда используется уравнения состояния идеальных газов. Это необходимо в тех случаях, когда поведение реальных газов существенно отличается от поведения идеальных газов и процесса сжижения не происходит.
Объем газа обычно зависит значений давления и температуры. Разности давлений, которые вызывают существенные изменения плотности газов, возникают при движении на больших скоростях. Обычно несжимаемый газ проявляется на скоростях, которые превышаю сто метров в секунду. Рассчитывается соотношение скорости движения жидкости со скоростью звука. Это позволяет соотносить многие показатели при подтверждении плотности того или иного вещества.
Вязкость жидкостей
Еще одним свойством любой жидкости является вязкость. Это такое состояние жидкости, которое способно оказывать сопротивление сдвига или иной внешней силы. Известно, что реальные жидкости обладают подобными свойствами. Она определяется в виде внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости, находящихся рядом.
Существуют не только легко подвижные жидкости, но и более вязкие вещества. К первой группе обычно относят воздух и воду. У тяжелых масел сопротивление происходит на ином уровне. Вязкость может охарактеризовать степенью текучести жидкости. Также такой процесс называют подвижностью ее частиц, и он зависит от плотности вещества. Вязкость жидкостей в лабораторных условиях определяют вискозиметрами. Если вязкость жидкости в большей степени зависит только от прилагаемой температуры, то принято различать несколько основных параметров веществ. При увеличении температуры вязкости капельной жидкости стремится к уменьшению. Вязкость газообразной жидкости при схожих условиях только возрастает.
Сила внутреннего трения в жидкостях возникает при пропорциональности скорости градиента к площади слоев, которые осуществляют трение. При этом трение в жидкостях принято различать от процесса трения в иных телах твердого типа. В твердых телах сила трения будет зависеть от нормального давления, а не от площади трущихся поверхностей.
Аномальные и идеальные жидкости
Различают два вида жидкостей, исходя из их внутренних характеристик:
Аномальными жидкостями называют такие жидкости, которые не подчиняются закону вязкости Ньютона. Подобные жидкости способны начинать движение после момента касательного напряжения при прохождении предельного порога по минимуму. Такой процесс также называют начальным напряжением сдвига. Эти жидкости не могут двигаться при небольших напряжениях и испытывают упругие деформации.
К идеальным жидкостям относят воображаемую жидкость, которая не подвержена любым сжатиям и деформациям, то есть она лишена свойства вязкости. Для ее расчета необходимо вводить определенные поправочные коэффициенты.
Получи деньги за свои студенческие работы
Курсовые, рефераты или другие работы
Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 10 06 2021
