Gęstość
Dwie kulki o takiej samej średnicy, jedna z żelaza, a druga z drewna, mają różne masy. Materia w kulce z żelaza wydaje się być bardziej upakowana w tej samej objętości. Mówimy, że żelazo ma większą gęstość niż drewno.
Wielkość fizyczna, która określa ilość masy zawartej w jednostce objętości to tak zwana gęstość, gęstość masy lub inaczej masa właściwa.
gdzie:
- ρ - gęstość
- m - masa
- V - objętość
Jednostką gęstości jest kg/m3.
Inne stosowane jednostki gęstości to 1g/cm3 = 1000 kg/m3, 1g/dm3 = 1 kg/m3, 1 g/ml.
Od czego zależy gęstość?
Gęstość zależy od rodzaju ciała, od temperatury tego ciała oraz warunków zewnętrznych, w jakich znajduje się ciało fizyczne, w tym temperatura i ciśnienie.
Im więcej materii upakowanej jest w danej objętości, tym większa jest gęstość ciała. Stąd różne substancje lub pierwiastki chemiczne charakteryzuje różna gęstość.
Jeżeli podgrzejemy ciało fizyczne, jego objętość nieco wzroście (rozszerzalność termiczna). Masa nie ulega zmianie, więc automatycznie maleje gęstość takiego ciała. Powyższe w szczególności dotyczy gazów (zmiany gęstości są znaczne w porównaniu z ciałami stałymi i cieczami).
Jak zmierzyć gęstość ciała?
Aby zmierzyć gęstość ciała wystarczy je zważyć i zmierzyć jego objętość. Gdy ciało ma kształt kuli lub prostopadłościanu, nie jest to trudne. Co zrobić, gdy ciało ma nieregularny kształt? Możemy pójść za Archimedesem i zanurzyć ciało w wodzie. Wyparta część wody będzie równa objętości zanurzonego ciała!
Gęstość wody
Woda nie zwiększa swojej objętości wraz ze wzrostem temperatury w całym obszarze występowania w stanie ciekłym, lecz przyjmuje wartość minimalną dla 3,9834 °C, a tym samym gęstość wody w tej temperaturze jest największa. W temperaturach niższych objętość wody zwiększa się wraz ze spadkiem temperatury. Jest to istotna anomalia. Większość substancji chemicznych tak się nie zachowuje. Za zjawisko to odpowiada kształt cząsteczek wody oraz silne wiązania wodorowe, które nadają wodzie względnie dużą gęstość. W obszarze anomalnym wiązania te są niszczone, zwiększając nieuporządkowanie wśród cząsteczek, a co za tym idzie, zwiększając również objętość cieczy. To dlatego lód pływa po powierzchni wody, rozsadza naczynia i skały, niszczy nawierzchnię dróg, a co najważniejsze w wodzie może dzięki temu funkcjonować życie.
Oto jak zmienia się gęstość wody wraz z temperaturą.
| Temperatura °C |
Gęstość kg/m3 |
|---|---|
| -30 | 983,9 |
| -20 | 993,5 |
| -10 | 998,8 |
| 0 | 999,84 |
| 4 (3,9834) | 1000 |
| 5 | 999,97 |
| 10 | 999,70 |
| 15 | 999,10 |
| 20 | 998,21 |
| 30 | 995,65 |
| 40 | 992,22 |
| 50 | 988,03 |
| 60 | 983,22 |
| 70 | 977,78 |
| 80 | 971,82 |
| 90 | 965,35 |
| 100 | 958,40 |
Tablica gęstości ciał
Oto gęstości wybranych substancji.
Gęstości gazów
| Substancja | Gęstość kg/m3 |
|---|---|
| wodór | 0,0823 |
| hel | 0,164 |
| metan | 0,657 |
| azot | 1,146 |
| powietrze | 1,185 |
| tlen | 1,309 |
| dwutlenek węgla | 1,811 |
| chlor | 2,950 |
| radon | 9,078 |
Gęstości skroplonych gazów
| Substancja | Gęstość kg/m3 |
|---|---|
| wodór | 71 |
| hel | 126 |
| metan | 422 |
| azot | 808 |
| powietrze | 960 |
| tlen | 1141 |
Gęstości cieczy
| Substancja | Gęstość kg/m3 |
|---|---|
| woda (4°C) | 1000 |
| benzyna | 720 |
| olej słonecznikowy | 922 |
| mleko | 1030 |
| ciężka woda | 1104,4 |
| gliceryna | 1258,2 |
| rtęć | 13534 |
Gęstości wybranych substancji stałych
| Substancja | Gęstość kg/m3 |
|---|---|
| styropian | 15-30 |
| korek | 220-350 |
| drewno lipowe | 320-730 |
| drewno sosnowe | 370-700 |
| mąka | 400-500 |
| lit | 532 |
| drewno mahoniowe | 510-600 |
| drewno dębowe | 690-1080 |
| żyto | 700-750 |
| ziemniaki | 700-750 |
| potas | 860 |
| polipropylen | 900 |
| lód (0°C) | 916 |
| sód | 970 |
| stearyna | 1000 |
| smoła | 1020 |
| papier | 600-1200 |
| ciało człowieka | 1050 |
| pleksi | 1190 |
| drewno hebanowe | 1110-1330 |
| piasek (suchy) | 1400-1800 |
| PCW | 1420 |
| cukier (sacharoza) | 1590 |
| magnez | 1740 |
| beton | 1800-2300 |
| siarka | 2070 |
| sól kamienna | 2170 |
| teflon | 2200 |
| grafit | 2270 |
| gips | 2300-2400 |
| szkło, szyba okienna | 2400-2700 |
| marmur | 2600-2800 |
| kwarc | 2648 |
| diament | 3510 |
| tytan | 4500 |
| biała cyna | 7280 |
| stal | 7800 |
| żelazo | 7870 |
| mosiądz | 8200-8950 |
| brąz | 7500-9100 |
| kobalt | 8900 |
| miedź | 8950 |
| srebro | 10490 |
| ołów | 11340 |
| uran | 19050 |
| wolfram | 19270 |
| złoto | 19280 |
| pluton | 19860 |
| iryd | 22610 |
Gęstości w skali kosmicznej
| Obiekt | Gęstość kg/m3 |
|---|---|
| Przestrzeń międzygalaktyczna | 10-27 |
| Przestrzeń międzyplanetarna | 10-21 |
| jądro Ziemi | 13090 |
| wnętrze Słońca | 148000 |
| jądro atomu | 1017 |
| gwiazda neutronowa | 6·1018 |
Dla zaawansowanych
Powyższy wzór to uśredniona gęstość lub gęstość ciał jednorodnych. W rzeczywistości gęstość ośrodków zmienia się. W zasadzie gęstość możemy wyznaczyć poprzez znalezienie pochodnej masy po objętości:
Masę możemy uzyskać obliczając odpowiednią całkę oznaczoną:
Pytania
Czy gęstość i ciężar właściwy to to samo?
Nie. Ciężar właściwy jest to stosunek ciężaru Q do objętości V, a nie masy do objętości.
Jaki jest ciężar właściwy moczu?
Zakres referencyjny gęstości moczu wynosi 1,015-1,030 g/ml.
Czy gęstość ma coś wspólnego z pływaniem ciał?
Tak. Ciało o mniejszej gęstości pływa po substancji o większej gęstości. Dlatego drewno sosny będzie pływać po rzece, a drewno hebanowe nie (heban ma większą gęstość niż woda). Z tego samego powodu góra lodowa pływa po powierzchni morza a żeliwne kowadło nie tonie w rtęci!
Ćwiczenia
Ćwiczenia interakcyjne pomogą przygotować się na sprawdzian, test, egzamin, a ponadto usystematyzują wiedzę z danej dziedziny. To także świetny trening do matury. Wiele ćwiczeń to dobre zadania maturalne.
© medianauka.pl, 2020-07-29, A-3921