Hvordan bestemme tettheten av faste materialer

Innhold

• Hva er tetthet?
• Tetthet kontra spesifikk tyngdekraft
• Arkimedes prinsipp
• Tetthetsmåling av faste stoffer
• Sammensatt tetthet av faste stoffer

Når du ser eller hører ordet tetthet, Hvis du i det hele tatt er kjent med begrepet, innkaller det mest sannsynlig bilder av "overfylt ness": syltetiske bygater, si, eller den uvanlige tykkelsen på trærne i en del av en park i nabolaget ditt.

Og egentlig er det det tettheten refererer til: en konsentrasjon av noe, med vekt på ikke den totale mengden av noe i scenen, men hvor mye som har blitt distribuert til det tilgjengelige rommet.

Tetthet er et kritisk begrep i fysikkvitenskapens verden. Det tilbyr en måte å forholde seg til grunnleggende saken - de tingene i hverdagen som vanligvis (men ikke alltid) kan sees og føles eller i det minste på en eller annen måte fanges opp i målinger i laboratorieinnstillinger - til grunnleggende rom, selve rammen vi bruker for å navigere i verden. Ulike typer materie på jorden kan ha svært forskjellige tettheter, selv innenfor området for fast stoff alene.

Tetthetsmåling av faste stoffer utføres ved å bruke forskjellige metoder enn de som er anvendt for å analysere tettheten av væsker og gasser. Den mest nøyaktige måten å måle tetthet avhenger ofte av den eksperimentelle situasjonen, og av om prøven din inkluderer bare en type materiale (materiale) med kjente fysiske og kjemiske egenskaper eller flere typer.

Hva er tetthet?

I fysikk, tettheten til en prøve av materialet er bare den totale massen til prøven delt på volumet, uavhengig av hvordan materialet i prøven er fordelt (en bekymring som påvirker de mekaniske egenskapene til det aktuelle faste stoffet).

Et eksempel på noe som har en forutsigbar tetthet innenfor et gitt område, men som også har sterkt varierende nivåer av tetthet i hele, er menneskekroppen, som består av et mer eller mindre fast forhold mellom vann, bein og andre vevstyper.

Tetthet og masse forveksles ofte med vekt, selv om det av forskjellige grunner er. Vekt er ganske enkelt kraften som følge av akselerasjonen av tyngdekraften som virker på materie, eller masse: F = mg. På jorden har akselerasjonen på grunn av tyngdekraften verdien 9,8 m / s². EN masse på 10 kg har således en vekt på (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 Newton (N).

Vekten i seg selv forveksles også med tetthet, av den enkle grunn at gitt to objekter av samme størrelse, vil den med en høyere tetthet faktisk veie mer. Dette er grunnlaget for det gamle triksspørsmålet, "Hvilken veier mer, et pund fjær eller et pund bly?" Et pund er et pund uansett hva, men nøkkelen her er at fjærpundet vil ta mye mer plass enn et pund bly på grunn av bly langt større tetthet.

Tetthet kontra spesifikk tyngdekraft

Et fysik begrep nært knyttet til tetthet er spesifikk tyngdekraft (SG). Dette er bare tettheten til et gitt materiale dividert med vannets tetthet. Vanntettheten er definert til å være nøyaktig 1 g / ml (eller tilsvarende 1 kg / L) ved normal romtemperatur, 25 ° C. Dette fordi selve definisjonen av en liter i SI (internasjonalt system, eller "metriske") enheter er mengden vann som har en masse på 1 kg.

På overflaten ser det ut til at dette gjør SG til et ganske trivielt stykke informasjon: Hvorfor dele med 1? Det er faktisk to grunner. Den ene er at tettheten av vann og andre materialer varierer litt med temperaturen selv innenfor romtemperaturområder, så når nøyaktige målinger er nødvendig, må denne variasjonen tas med i betraktningen fordi verdien av ρ er temperaturavhengig.

Mens tettheten har enheter på g / ml eller lignende, er SG enhetsløs, fordi det bare er en tetthet dividert med en tetthet. Det faktum at denne mengden bare er en konstant, gjør noen beregninger med tetthet lettere.

Arkimedes prinsipp

Kanskje ligger den største praktiske anvendelsen av tettheten av faste materialer i Archimedes-prinsippet, oppdaget for årtusener siden av en gresk lærde med samme navn. Dette prinsippet hevder at når et fast objekt plasseres i en væske, blir gjenstanden utsatt for et nett oppover oppdriftskraft lik vekt av den fortrengte væsken.

Denne kraften er den samme uavhengig av effekten på gjenstanden, som kan være å skyve den mot overflaten (hvis tettheten til objektet er mindre enn den for væsken), la den flyte perfekt på plass (hvis tettheten til objektet er nøyaktig lik væskens) eller la det synke (hvis tettheten til objektet er større enn væsken).

Symbolsk er dette prinsippet uttrykt som F_B = W_f, hvor F_B er den kraftige kraft og W_f er vekten av fortrengt væske.

Tetthetsmåling av faste stoffer

Av de forskjellige metodene som er brukt for å bestemme tettheten til et fast materiale, hydrostatisk veiing er den foretrukne fordi den er den mest nøyaktige, om ikke den mest praktiske. De fleste faste materialer av interesse er ikke i form av pene geometriske former med lett beregnet volum, noe som krever en indirekte bestemmelse av volumet.

Dette er en av de mange samfunnslagene som Archimedes-prinsippet kommer godt med. Et individ veies både i luft og i en væske med kjent tetthet (vann er åpenbart et nyttig valg). Hvis en gjenstand med en "land" -masse på 60 kg (W = 588 N) fortrenger 50 L vann når den er nedsenket for veiing, må dens densitet være 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Hvis du i dette eksemplet ønsket å holde denne tetthet-enn-vann-gjenstanden hengt på plass ved å bruke en oppadgående kraft i tillegg til den flytende kraften, hva vil størrelsen på denne styrken være? Du beregner bare forskjellen mellom vekten på fortrengt vann og gjenstandens vekt: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

Sammensatt tetthet av faste stoffer

Noen ganger blir du presentert for et objekt som inneholder mer enn en type materiale, men i motsetning til eksempelet på menneskekroppen, inneholder disse materialene på en jevn fordelt måte. Det vil si at hvis du tok en liten prøve av materialet, ville den ha samme forhold mellom materiale A og materiale B som hele objektet gjør.

En situasjon der dette skjer er innen konstruksjonsteknikk, der bjelker og andre støtteelementer ofte er laget av to typer materialer: matrise (M) og fiber (F). Hvis du har en prøve av denne strålen som består av et kjent volumforhold mellom disse to elementene, og kjenner deres individuelle tetthet, kan du beregne komposittens tetthet (ρ_C) ved å bruke følgende ligning:

ρ_C = ρ_FV_F + ρ_MV_M,

Hvor ρ_F og ρ_M og V_F og Vm er tettheter og volumfraksjoner (dvs. prosentandelen av bjelken som består av fiber eller matrise, omgjort til et desimaltall) for hver type materiale.

Eksempel: En prøve på 1000 ml av et mysteriumobjekt inneholder 70 prosent steinete materiale med en tetthet på 5 g / ml og 30 prosent gel-lignende materiale med en tetthet på 2 g / ml. Hva er tettheten til objektet (kompositt)?

ρ_C = ρ_RV_R + ρ_GV_G = (5 g / ml) (0,70) + (2 g / ml) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.