Истинная и средняя плотность: Расчет плотности материала. Пористость строительных материалов

Плотность материала

Навигация:
Главная → Все категории → Определения структурных характеристик

Плотность материала Плотность материала

Плотностью называется масса единицы объема материала. Чтобы вычислить плотность р (кг/м3), надо знать массу материала т (кг) и его объем К(м3):
р = т/У. (3.1)

Большинство строительных материалов – пористые материалы, т.е. в их объеме помимо твердого вещества находятся воздушные ячейки (поры), заполненные воздухом, плотность которого несравнимо ниже плотности твердого вещества. Поэтому для строительных материалов определяют две характеристики: истинную и среднюю плотности. Для характеристики материалов, состоящих из отдельных зерен (цемент, песок, гравий), используют так называемую насыпную плотность.

Истинной плотность р называют плотность того вещества, из которого состоит материал. При расчете р объем материала вычисляют без пор и пустот. Истинная плотность — физическая константа вещества.

Средней плотность рт называют плотность материала, когда при ее расчете берется его полный объем в естественном состоянии, включая поры и пустоты.

Насыпная плотность рнас характеризует отношение массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространства между частицами.

На среднюю и насыпную плотность материала влияет его влажность. Вода замещает воздух в порах материала и адсорбируется на поверхности его зерен, и поэтому, как правило, чем больше влажность материала, тем больше его плотность.

Для каждого материала ГОСТы устанавливают влажность, при которой определяется его плотность. Например, плотность тяжелого бетона определяют при его естественной влажности и в сухом состоянии, а древесины – при влажности 12%.

Определение средней плотности. Метод определения средней плотности зависит от формы образца материала: геометрически правильной (куб, параллелепипед, цилиндр) и неправильной.

Образцы материала правильной геометрической формы. При определении средней плотности образец материала, предварительно подготовленный и высушенный при температуре 105… 110 °С до постоянной массы (если ГОСТ предусматривает определение плотности в сухом состоянии), взвешивают с погрешностью не более 0,1 г при массе до 500 г и не более 1 г – при массе более 500 г.

Объем образца определяют, пользуясь штангенциркулем (при размерах менее 100 мм) или металлической линейкой (при больших размерах). Если образец имеет кубическую форму или форму параллелепипеда, то каждую грань измеряют в трех местах. Окончательный размер каждой грани (а, Ь, с) вычисляют как среднее арифметическое трех измерений. Объем подсчитывают по формуле V= abc.

При вычислении объема цилиндрического образца определяют его диаметр d и высоту И. Для этого на параллельных основаниях цилиндра наносят два взаимно перпендикулярных диаметра. Диаметр образца находят как среднее арифметическое результатов четырех измерений. Высоту цилиндра вычисляют так же, как среднее арифметическое результатов четырех измерений образующих цилиндра, расположенных на концах взаимно перпендикулярных диаметров.

Объем цилиндра К (см3) подсчитывают по формуле V- nd2h/4, где я = 3,14.

Зная массу и объем образца, вычисляют его среднюю плотность по формуле (3.1).

Образцы неправильной геометрической формы. Среднюю плотность таких образцов определяют методом гидростатического взвешивания или с помощью объемомера.

Метод гидростатического взвешивания основан на использовании закона Архимеда: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости. Чтобы определить выталкивающую силу, образец взвешивают на воздухе и в жидкости; разность этих весов дает значение выталкивающей силы. Зная плотность жидкости, по выталкивающей силе можно вычислить объем вытесненной образцом жидкости, т. е. объем образца. Так как плотность воды равна 1 г/см3, при взвешивании в воде значение выталкивающей силы в г численно равно значению объема образца в см3.

При определении средней плотности этим методом приготовленный образец взвешивают, выясняя его массу т (г).

Затем его насыщают водой. Насыщенный образец вынимают из воды, удаляют влагу с поверхности мягкой влажной тканью и сразу же взвешивают на гидростатических весах (рис. 3.1). Для этого образец на нитке подвешивают к крюку, закрепленному на левом конце коромысла весов. Сыпучие материалы помещают в перфорированный стакан. После определения массы насыщенного водой образца ттс (г) его, не снимая с крючка весов, погружают в стакан с водой так, чтобы он не касался стенок стакана, и определяют массу гирь, уравновешивающих образец в воде твоа (г).

Рис. 3.1. Гидростатические весы: 1 — перфорированный стакан; 2 — крюк; 3 — коромысло; 4 — тяги; 5 — стаканчик с дробью; 6 — разновесы

Объемомер используют при определении средней плотности крупных образцов (массой более 500 г). Образец взвешивают (ш\), парафинируют и опять взвешивают. При парафини-ровании образец погружают в расплавленный парафин. Если при остывании на парафиновой пленке обнаружатся пузырьки или повреждения, их заглаживают горячей металлической пластинкой или проволокой.

После парафинирования образец перевязывают капроновой нитью.

В объемомер (рис. 3.2), представляющий собой металлический цилиндр, наливают воду до уровня сливной трубки, пока из нее не потечет вода. Когда прекратится падение капель, под трубку ставят предварительно взвешенный стеклянный стакан. Испытуемый образец на нитке осторожно погружают в объемомер. После того как вода перестанет перетекать в стакан, стакан с водой взвешивают (яц).

Рис. 3.2. Объемомер

С помощью объемомера также определяют среднюю плотность, не парафинируя образцы, а насыщая их водой, аналогично методике, описанной выше для гидростатического взвешивания.

Определение насыпной плотности. Насыпную плотность материалов определяют, измеряя их объем мерными цилиндрическими сосудами вместимостью от 1 до 50 л. За объем материала в этом случае принимают объем сосуда, т.е. в измеряемый объем входят пустоты между частицами материала.

Крупнозернистые материалы (зерна более 5 мм) засыпают в мерные сосуды вместимостью 5; 10; 20 и 50 л совком или лопаткой с высоты 100 мм без последующего уплотнения.

Мелкозернистые материалы (зерна менее 5 мм) насыпают в мерный сосуд вместимостью 1 л с помощью стандартной воронки (рис. 3.3), корпус которой представляет собой металлический усеченный конус, заканчивающийся трубкой с задвижкой. Под трубку устанавливают заранее взвешенный мерный сосуд. Расстояние между верхним обрезом сосуда и задвижкой воронки 50 мм.

Мерный сосуд во всех случаях заполняют с избытком, а излишек материала срезают линейкой от середины в обе стороны вровень с краями сосуда.

Рис. 3.3. Стандартная норонка:
1 — корпус; 2 — трубка: 3 — задвижка; 4 – мерный сосуд

Рис. 3.4. Прибор Ле Ш ателье (а) и вид прибора в рабочем состоянии {б):
1 – объемомер; 2 – сосуд с водой; 3 – штатив; 4 — термометр

Определение истинной плотности. Для расчета истинной плотности материала его нужно получить в абсолютно плотном состоянии (без пор). Простейший способ добиться этого – измельчить материал так, чтобы каждая его частица не имела внутри себя пор. Чем выше тонкость измельчения, тем точнее будет определение плотности вещества, из которого состоит материал.

Для определения истинной плотности отвешивают около 200 г тщательно перемешанной средней пробы материала. Навеску высушивают в сушильном шкафу и тонко измельчают в фарфоровой ступке или шаровой мельнице! До проведения испытаний материал хранится в эксикаторе. Истинную плотность определяют пикнометрическим способом или с помощью прибора Ле Шателье. При всех способах определения плотности погрешность взвешивания не более 0,01 г. Температура помещения при испытании (20±2)°С; в ином Случае температуру материалов и приборов приводят к 20 °С, выдерживая в водяном термостате (термостатируя).

Истинную плотность, вычисляют как среднее арифметическое результатов двух испытаний, расхождение между которыми не должно превышать 0,02 г/см3.

Пикнометрическим способом истинную плотность определяют следующим образом. Навеску материала массой 60…80 г высыпают с помощью воронки в чистый высушенный и предварительно взвешенный пикнометр вместимостью 100 см3, после чего взвешивают пикнометр с порошком. Затем в пикнометр наливают инертную по отношению к испытуемому веществу жидкость (воду, масло, керосин) и нагревают на песчаной или водяной бане в течение 15…20 мин. После этого пикнометр охлаждают до комнатной температуры и доливают жидкость до метки, после чего обтирают мягкой тканью и взвешивают.

Прибор Ле Шателье (рис. 3.4, а) представляет собой стеклянную колбу вместимостью 120… 150 см3 с узким высоким горлом и расширением в средней его части. На горле колбы ниже уширения нанесена метка, а выше — шкала с делениями ценой 0,1см3. Объем между нижней и первой метками шкалы равен 20 см3.

Истинную плотность определяют с помощью прибора в такой последовательности. Прибор / (рис. 3.4, б) помещают в стеклянный сосуд 2 с водой так, чтобы вся его градуированная часть была погружена в воду. Температура воды в сосуде должна соответствовать температуре, при которой был проградуирован прибор (обычно 20 °С). Термостатирование не нужно, если температура помещения составляет (20 + 2) °С. Чтобы прибор не всплывал, его закрепляют в штативе 3. Прибор наполняют водой или другой жидкостью, инертной по отношению к испытуемому материалу (например, для цемента — керосином), до нижней метки. Точного заполнения можно добиться, заливая жидкость с небольшим избытком и затем отсасывая ее фильтровальной бумагой. После заполнения свободную от жидкости часть прибора протирают тампоном из фильтровальной бумаги.

На технических весах в стаканчике взвешивают навеску порошка испытуемого материала массой около 70 г с погрешностью не более 0,01 г. Порошок всыпают в прибор ложечкой через воронку небольшими порциями до тех пор, пока уровень жидкости в приборе не достигнет одного из делений в пределах верхней градуированной части. Остаток порошка со стаканчиком взвешивают.

Для удаления пузырьков воздуха, попавшего в жидкость вместе с порошком, прибор вынимают из сосуда с водой и поворачивают в наклонном положении в течение 10 мин на гладком резиновом коврике. После этого его снова помещают в сосуд с водой не менее чем на 10 мин для термостатирования и определяют уровень жидкости в приборе.

Разность отсчетов между конечным и начальным уровнями жидкости соответствует объему всыпанного порошка V (см3).


Похожие статьи:
Структурные характеристики и свойства строительных материалов

Навигация:
Главная → Все категории → Определения структурных характеристик

Статьи по теме:

Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум

Структурные характеристики и параметры состояния материала

Структурные характеристики и параметры состояния материала

Основные структурные характеристики материала, во многом определяющие его технические свойства,— это плотность и пористость; важнейший параметр состояния — влажность.

Плотность — физическая величина, определяемая массой единицы объема вещества (или материала).

В зависимости от того, берется ли в расчет объем только самого вещества, из которого состоит материал, или весь объем материала с порами и пустотами, различают истинную и среднюю плотность.

Истинная плотность р (кг/м3) — масса единицы объема материала, когда в расчет берется только объем твердого вещества этого материала Va (м ):
p = m/Va.

Таким образом, истинная плотность характеризует не материал, а вещество, из которого состоит материал,— это физическая константа вещества.

Значение истинной плотности вещества зависит в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом истинная плотность приблизительно одинаковая.

У каменных материалов как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500…3000 кг/м.

Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла), составляет 800… 1200 кг/м . Относительно высокая истинная плотность у древесины — около 1500 кг/м3.

Большие различия в истинной плотности наблюдаются лишь у металлов (кг/м3): алюминий — 2700, сталь — 7850, свинец — 11 300. Плотность воды (истинная и средняя) — 1 г/см3 = 1000 кг/м.

Следовательно, средняя плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы (бетоны, керамику и т. п.) можно получать с заданной (требуемой) плотнотью. Например, меняя пористость бетона, можно получить как тя-елый бетон плотностью до 2500 кг/м , так и особо легкий — плотностью менее 500 кг/м .

Древесина некоторых пород имеет рл более 1000 кг/м1, т.е. больше плотности воды.

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и с качественной, т. е. по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2…5 мм). Характер пор важен, например, при оценке способности материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, с пористостью до 98%, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (около 30%), из-за открытого характера пор (большинство пор представляет собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду.

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопогло-щение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др.

Влажность — содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии.

Читать далее:
Классификация строительных материалов
Строительные растворы
Общие сведения о каменных материалах
Коррозия природного камня и меры защиты от нее
Использование отходов камнеобработки
Материалы и изделия из природного камня
Добыча и обработка природного камня
Главнейшие горные породы, применяемые в строительстве
Породообразующие минералы
Общие сведения о природных строительных материалах


Плотность истинная — Справочник химика 21

    Истинная плотность. Истинная плотность активного угля является плотностью углеродного скелета. Она определяется пикнометрическим методом с использованием жидкости, молекулы которой достаточно малы, чтобы проникнуть в микропоры. Наиболее удобно пользоваться бензолом или петролейным эфиром, причем плотность пикнометрической жидкости приходится определять отдельно. Для полного насыщения необходимо 5—6-часовое кипячение с обратным холодильником в растворителе. В остальном руководствуются общими правилами пикнометрического определения плотности. [c.62]
    Плотности истинная, кажущаяся и насыпная определяются [c.216]

    Определение истинной плотности. Истинная плотность с1, г/см ) представляет собой массу единицы объема плотного (не содержащего пор) материала, из которого состоит адсорбент. Определяют ее пикнометрическим способом. [c.174]

    Плотность насыпная, г/см Плотность истинная, г/см Теплотворная способность, кДж/кг Пористость, % об. [c.179]

    Плотность (истинная) в набухшем состоянии, г/см 1,08 1,08 1,07 1,0 8 1,08 [c. 56]

    Плотности истинная, кажущаяся и насыпная определяются выражениями (в кг/м .) соответственно  [c.216]

    При пересечении спектральных кривых под небольшими углами, i также при низких значениях оптических плотностей истинность полу чаемых и. т. может вызывать сомнения. Описано два приема, позво ляющих решить вопрос об истинности подобных и. т. Мак-Кей и Скар ГИЛЛ [41] использовали дифференциальную спектрофотометрию, поме щая в кювету сравнения любой из серии анализируемых растворов Тогда при длинах волн, отвечающих в обычном спектре Х . т, в диффе ренциальном спектре поглощение должно быть равно нулю. [c.28]

    Некоторые исследователи предпочитают для изложения кинетических данных пользоваться плотностью истинного тока обмена ( о) , который соответствует внутренним токам прямой и обратной реакций в равновесном, но не в стандартном состоянии и в отсутствие эффектов двойного слоя (ф = 0). Таким образом, [c.154]

    Для характеристики плотности катализаторов применяют понятие истинной и средней насыпной плотности. Истинная плотность р представляет собой сумму отношений массы каждого окисла, входящего в состав катализатора, к объему окисла без учета объема пор. В отличие от истинной средняя насыпная плотность р служит косвенной характеристикой пористости катализатора. При обсуждении вопроса об устойчивости катализаторов против выбросов во внимание принимается величина р . Правда, если гранулометрический состав катализаторов неоднороден и его трудно предсказать заранее, зависимость между р и пористостью (или объемом пор) становится очень неопределенной. Поэтому определение р часто проводят при максимально уплотненном слое катализатора. Определяют по следующей методике. [c.244]

    Полимер, получаемый по приведенным выще реакциям, представляет собой полиэтилен низкой плотности, поскольку большое число ответвлений снижает его плотность по сравнению с плотностью истинно линейного аналога. Если реакцию полимеризации проводят, используя специальный гетерогенный катализатор, получается гораздо более линейный продукт — полиэтилен высокой плотности, который плавится при более высокой температуре и имеет более высокую степень кристалличности, так как в нем доля дефектов, обусловленных разветвлениями, значительно ниже.[c.24]


    Допустим также, что на той же частоте значения спектральной плотности истинных источников Ui t) и М2 (О равны ) [c.232]

    Для характеристики твердых топлив используют как показатель их свойств плотность массы, которую определяют в соответствии ГОСТ 2160—62. Различают истинную, кажущуюся и объемную плотность. Истинная плотность характеризует атомную плотность топлива, взятого в объеме плотности массы без пор кажущаяся плотность определяется в объеме массы топлива с включением пор. [c.25]

    Истинная плотность. Истинная плотность может быть определена взвешиванием маленьких порций окисла, суспензированных в керосине, в калиброванных склянках емкостью 50 см . Конечно, необходимо, чтобы порция окисла была взвешена до прибавления керосина. [c.28]

    Определение истинной плотности. Истинная плотность катализатора, представляющего собой определенное простое вещество, например металл, для которого известны объем элементарной ячейки Уц мл и число атомов в ней п), может быть вычислена по формуле [c. 75]

    Объемная плотность Истинная плотность Общая пористость Линейный коэффициент расшире- ния а Теплопроводность при 1000° в кал см-сек-град Максимальная температура службы 3,30 3,60 8-120/0. 73 10 (в интервале 30—1480°) 0,014 j 1650° 5,20 5,71 8-12 /о 96-10 (в интервале 30—960°) 0,005 1 2300  [c.330]

    Определение плотности. Истинной плотностью называется масса единицы объема зерен вещества без учета замкнутых пор. Определение истинной плотности производится с помощью широко распространенного пикнометрического метода. Основным прибором для анализа является пикнометр, представляющий стеклянный толстостенный сосуд, который заполняется предварительно высушенным и просеянным порошком исследуемого материала. [c.18]

    Физико-химические свойства компонентов, подаваемых в аппарат, и их смесей твердость, угол естественного откоса, способность слеживаться, насыпная плотность, истинная плотность, теплоемкость, сыпучесть, температура плавления и размягчения, вязкость (для жидких компонентов), а в случае необходимости — пористость или сорбционная емкость.[c.84]

    Физико-мехаиические свойства руд плотность истинная (3,4—3,8) 10 кг/м , средняя (3,3—3,6)10 кг/л пористость 0—10% предел прочности при одноосном сжатии (1000—2500) 10 Па естественная влажность 0,5 %. [c.160]

    Физико-механические свойства плотность истинная (3,4—3,5) 10 кг/м , плотность сред-няя (3,2—3,4) 10 кг/м пористость 7—8% предел прочности при одноосном сжатии [c.167]

    Для пористых тел, к которым относятся активные угли, различают кажущуюся Рк и истинную ри плотности. Истинная плотность ри углеродных материалов представляет собой отношение массы материала к его объему, иск- лючая объем пор. Кажущаяся плотность р,. активных углей есть отношение, массы образца к его объему, включая поры. Оперируя этими физическими характеристиками пористых углеродных материалов, выразим силу, действующую иа пористую частицу в жидкости, с учетом закона Архимеда при условии заполнения пор зерна жидкостью [42]  [c. 173]

    Пористость определяет объем пор, приходящийся на единицу объема тела, т. е. долю пустот в его структуре. Она может быть выражена также в процентах. Пористость можно выразить через истинную и кажущуюся плотности. Истинная плотность ри — отношение массы тела к его объему У , исключая объем пор. Кажущаяся плотность рк — отноп1ение массы тела к его объему Уосщ, включая объем пор. Пористость материала равна [c.132]

    Удельный (объемный) вес представляет собой отношение весового количества вещества к его объе.му. Если определение веса производилось путем сравнения масс тела и эталона-гири на рычажных весах в условиях равного ускорения притяжения и относительного покоя, тогда единицы измерения аналогичны единицам измерения плотности. Истинный же удельный вес, определяемый весом тела на пружинных весах, выражается в единицах силы на единицу объема  [c.577]

    Название шахты поставщика 1 Технический анализ, масс. % Плотность истинняя, кг/мЗ-10-3 Л ехани- ческая прочность Термическая устой чи-,пость Петрографический состав, %  [c. 131]

    Для сыпучих и пористых твердых в-в различают плотности истинную (масса единицы объема плотного материала, не содержащего пор), кажущуюся (масса единицы объема пористого материала из зерен или гранул) и и а-сыпную (масса единицы объема слоя материала). Одной из важных характеристик кристаллич. в-в служит рентгеновская плотн. (определяют рентгенографически). Она представляет собой отношение массы атомов, находящихся в элементарной ячейке кристалла к.-л. в-ва, к ее объему выражается в обычных единицах плотности. [c.577]

    Удельный (объемный) вес представляет собой отношение весового количества веш,ества к его объему. Если определение веса производилось путем сравнения масс тела и эталона-гири на рычажных весах в условиях равного ускорения притяжения и относительного покоя, тогда единицы измерения аналогичны единицам измерения плотности. Истинный удельный вес, определяемый весом тела на пружинных весах, выражается в единицах силы на единицу объема ньютон на кубический метр (системы МКС, СИ) дина на кубический сантиметр (система СГС) килограмм-сила на кубический метр (система МКГСС).[c.749]

    Пористость можно выразить через истинную и кажущуюся плотность. Истинная плотность ри — отношение массы тела к его объему V за исключением объема пор. Кажущаяся плотность рк — отношение массы тела к его объему Уобщ, включая объем пор. Тогда пористость материала составит  [c.157]


    Аналогичная картина обнаруживается в кристаллах с промежуточной ионно-ковалентной связью. Как указывалось в разделе 1.3, истинное распределение электронной плотности в таких кристаллах существенно отличается от предполагаемого классической ионной моделью и в больщинстве случаев неизвестно. Поэтому определить строго истинные заряды дефектов в реальных кристаллах невозможно. К счастью, это и не нужно. Из схемы, приведенной на рис. 1.4, видно, что электростатическое воздействие дефекта, находящегося в узле I, определяется не истинным значением его заряда, а тем, насколько его заряд отличается от заряда окружающих его ионов, состояние которых отвечает таковому в идеальном кристалле. Поэтому в рамках квазихимического метода зарядовое состояние атомного дефекта можно однозначно определить, приписав ему некоторый эффективный заряд, показывающий, на какую величину его заряд отличается от заряда соответствующего структурного элемента в идеальной рещетке. Другими словами, эффективные заряды дефектов определяются как разностные значения по отношению к общему фону распределения плотности истинных зарядов в решетке идеального кристалла, знать которое совершенно не обязательно. Этот вывод находится в полном соответствии с представлением дефектов как относительных составляющих единиц кристалла, все свойства которых определяются по отношению к фону идеальной кристаллической решетки. [c.27]

    Физико-химические свойства продукта до сущки и после сущки угол естественного откоса, способность к налипанию, слеживанию, сводообразованию, комкованию, соображения по абразивным свойствам и электролизуемости, гранулометрический состав порошка с размерами частиц и насыпная плотность, истинная плотность, химический состав, склонность продукта к разложению, температура плавления, размягчения, разложения, склонность к самовозгоранию.[c.83]

    Пользуясь рассмотренным выше методом калибровки, были рассчитаны теплоты плавления для образцов полиамида-6,6 и полиамида-6,10, которые оказались равными 20,3 и 19,4 кал1г соответственно. Степень кристалличности этих образцов оценивали по измерению их плотностей. Истинные теплоты плавления могут быть рассчитаны по уравнению (1Х-1) полученные значения теплот плавления для полиамида-6,6 и полиамида-6,10 находятся в хорошем соответствии с аналогичными значениями, вычисленными по удельным тенлотам или по уравнению Флори, показывающему понижение температуры плавления сополимера в зависимости от его состава или концентрации растворителя [21 ]. [c.297]

    Физико-механические свойства руд ие-окисле1Шые кварциты — плотность истинная (3,3 — 3,6) 10 кг/мЗ плотность средняя (3,2 — 3,4)10 кг/м пористость 12—16% предел прочности при одноосном сжатии (1100 — 2000) 10 Па естественная влажность 3% окисленные кварциты — плот- [c.165]


Физические свойства строительных материалов

Физические свойства материала характеризуются особенностью его физического состояния или отношением к различным физическим процессам. К основным физическим свойствам относятся: плотность, пористость, водопоглощение, влажность, гигроскопичность, влагоотдача, водопроницаемость, теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, огнеупорность, паропроницаемость и газопроницаемость, звукопроницаемость.

Средняя плотность pм (г/см3; кг/м3; т/м3) — физическая величина, определяемая отношением массы тела или вещества в естественном состоянии ко всему занимаемому ими объему включая имеющиеся в них пустоты и поры:

где m — масса сухого материала, г, кг, т; V — объем материала по внешним размерам образца или объем вытесненной им жидкости, см3, м3, л.

Истинная плотность p — предел отношения массы тела или вещества к его объему без учета в нем пустот или пор, г/ см3:

где m — масса материала, г, кг; Va — объем, занимаемый материалом или веществом без пор и пустот, см3;

Насыпная плотность — отношение массы зернистых материалов или материалов в виде порошка ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между ними.

Пористость материала — степень заполнения объема материала порами. По значению пористость дополняет среднюю плотность до единицы или до 100 %:

Водопоглощение — это способность материала впитывать и удерживать в себе воду. Определяют водопоглощение путем насыщения водой образца, предварительно высушенного до постоянной массы. Количество поглощенной образцом воды, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе, а отнесенное к его объему — водопоглощением по объему. Водопоглощение (%) вычисляют по формулам:


где m1 и m2 — масса материала соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии, кг.

Разделив почленно эти выражения, получим зависимость

На значение водопоглощения влияет как степень пористости материалов, так и строение пор (замкнутые, открытые, крупные). Значение водопоглощения по объему всегда меньше 100 %. Водопоглощение по массе может быть выше 100 %.

Водостойкость — способность материала сохранять прочность при водонасыщении. Водостойкость численно характеризуется значением коэффициента размягчения:

где Rнac и Rcyx — предел прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образцов; Кразм = 0 … 1.

Строительные материалы вследствие неодинаковых плотности, структуры и состава характеризуются различной водостойкостью. Для таких материалов, как стекло, фарфор, сталь, Кразм = 1, а гипсовые при насыщении водой могут полностью разрушиться. Материалы с Кразм ≥ 0,75 относятся к водостойким.

Гигроскопичность — способность строительных материалов поглощать водяные пары из окружающего воздуха. Степень водопоглощения зависит от температуры и влажности воздуха, вида, количества и размера пор, а также от природы вещества.

Поглощение водяных паров из воздуха вызывается также адсорбцией, обусловленной большой внутренней поверхностью пористого материала. При уменьшении влажности и повышении температуры воздуха этот процесс носит обратимый характер. Повышенная гигроскопичность некоторых пористых материалов ухудшает их физико-механические свойства. Поэтому материалы с повышенной гигроскопичностью не рекомендуется применять в ограждающих конструкциях зданий и сооружений.

Водопроницаемость — способность материалов пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, проходящей в течение 1 ч под постоянным давлением через 1 см испытуемого материала. Особо плотные материалы (стекло, сталь, полиэтилен и др.), а также достаточно плотные (например, специальный бетон) практически водонепроницаемы, большинство же композиционных материалов водопроницаемы. Это свойство существенно важно для материалов, из которых изготовляют конструкции гидротехнических сооружений, резервуаров, труб, коллекторов и других конструкций, подвергающихся гидростатическим воздействиям.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное и попеременное замораживание и оттаивание без выраженных признаков разрушения и потери прочности. При этом последовательному замораживанию, оттаиванию и осмотру подвергают образцы столько раз, сколько указано в технических требованиях, предъявляемых к данному материалу. Морозостойкими считают такие образцы материала, которые после установленных для них циклов замораживания и оттаивания не имеют выкрашиваний, трещин, расслаивания и не теряют по массе более 5 %. После заданного числа циклов попеременного замораживания и оттаивания определяют прочность материала при сжатии и вычисляют коэффициент морозостойкости:

где Rмрз — прочность образцов при сжатии после заданного числа n циклов замораживания и оттаивания, МПа; Rнас — прочность водонасыщенных образцов при сжатии до замораживания, МПа.

Допустимая потеря прочности после испытания на морозостойкость устанавливается ГОСТ на данный материал. Материал считается морозостойким, если Кмрз ≥ 0,75.

Методика определения средней плотности материалов

Подробности
Категория: Строительные материалы

Средней плотностью называют массу единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и пустотами.

 

Средняя плотность определяется по формуле:

 

r0 , [г/см3],

 

где m — масса образца, г; V — объем образца в естественном состоянии, см3.

 

Для вычисления средней плотности материала определяют массу образца и его объем в естественном состояния. Одно и то же количество материала в естественном состояние занимает больший объем, чем в плотном. Поэтому средняя плотность каменных материалов всегда меньше истинной плотности.

 

В практике определения средней плотности твердого материала возможны два случая:

 

а)образец материала имеет правильную форму;

 

б)образец имеет неправильную форму.

 

1(а) Определение средней плотности образцов правильной формы

 

Образцы правильной геометрической формы должны иметь наименьшее измерение не менее 10 см, если материал пористый, и не менее 4 см, если материал плотный. Испытания проводят на 5-ти образцах кубической или цилиндрической формы. Образцы взвешивают на технических весах с точностью до 0,1 г, (если масса образца менее 500 г). Перед взвешиванием образцы должны быть высушены до постоянной массы.

 

Для определения объема образцы измеряют с помощью штангенциркуля с точностью до 0,1 мм. Например, если измеряемый образец имеет форму куба или параллелепипеда, то каждую грань измеряют в трех местах по длине, ширине, высоте (рис.1). За окончательный размер каждой грани принимают среднее арифметическое трех измерений. Объем образца получают перемножением средних размеров трех граней образца.

 

Рис.1. Схема измерения образцов правильной геометрической формы.

 

Среднюю плотность вычисляют по формуле:

 

r0 , [г/см3],

 

Для обеспечения точности результатов среднюю плотность вычисляют как среднее арифметическое пяти определений.

 

2(б). Определение средней плотности образцов неправильной формы

 

При работе с образцами неправильной формы, сложность представляет измерение объема. В этом случае определение производят методом гидростатического взвешивания или с помощью объемомера. или

 

Точность такого определения в значительной степени зависит от пористости материалов, так как образец, погружаемый в воду, не только вытесняет, но и частично впитывает ее в свои поры, а это приводит к искажению результатов.

Истинная плотность щебня (гравия)

Истинная плотность щебня (гравия)

СтройЛаборатория СЛ

Испытательная лаборатория, контроль качества СМР, орган по сертификации

Уважаемые заказчики.

Мы проводим реальные испытания — фото и/или видеофиксация по желанию заказчика.
Возможны нестандартные испытания, в том числе разработка методики.

Испытания проводятся по ГОСТ 8269. 0

Материалы размалывают (вследствие этого получают порошок) и высушивают, а также охлаждают. Навеску помещают в пикнометр, добавляют дистиллированную воду, чтобы заполнить не более половины емкости. Содержимое кипятят, проводят охлаждение устройства, в него вливают воду и взвешивают. Потом проводят взвешивание пикнометра только с жидкостью (без пробы).

КАК МЫ РАБОТАЕМ

ЗАКЛЮЧАЕМ ДОГОВОР

ПРОВЕДЕНИЕ РАБОТ

ВЫ ОСТАВЛЯЕТЕ ЗАЯВКУ

ПРОИЗВОДИМ РАССЧЕТ СТОИМОСТИ

ПОЛУЧЕНИЕ
ДОКУМЕНТОВ

КАК МЫ РАБОТАЕМ

ВЫ ОСТАВЛЯЕТЕ ЗАЯВКУ

МЫ ВАМ ЗВОНИМ

ПРОИЗВОДИМ РАССЧЕТ СТОИМОСТИ

ЗАКЛЮЧАЕМ ДОГОВОР

ОПЛАТА

ПРОВЕДЕНИЕ РАБОТ

ПОЛУЧЕНИЕ ДОКУМЕНТОВ

Стоимость

58 Истинная плотность 1 проба 690,00

Сделать заказ

Наши сертификаты

У ВАС ОСТАЛИСЬ ВОПРОСЫ? МЫ С РАДОСТЬЮ НА НИХ ОТВЕТИМ!

Звоните: 8-499-191-29-08
Пишите в WhatsApp и Телеграм 8-985-442-13-13 круглосуточно
Пишите нам на почту [email protected] ru круглосуточно
Приезжайте к нам в офис: г. Москва
ул. Народного Ополчения дом 14 корп. 2
Мы работаем Пн-Пт с 9-00 до 18-00 без перерыва на обед
Выезд к заказчикам в выходные дни по предварительной договоренности

Или оставьте заявку, и наш специалист перезвонит Вам и ответит на все вопросы

ОТПРАВИТЬ ЗАЯВКУ


ООО «СтройЛаборатория СЛ» Основано в 1993-м году!

Плотность воды | Глава 3: Плотность

Тебе это нравится? Не это нравится? Пожалуйста, уделите время и поделитесь с нами своим мнением. Спасибо!

Урок 3.3

Ключевые понятия

  • Жидкости, как и твердые тела, имеют собственную характеристическую плотность.
  • Объем жидкости можно измерить непосредственно с помощью градуированного цилиндра.
  • Молекулы разных жидкостей имеют разный размер и массу.
  • Масса и размер молекул в жидкости, а также то, насколько плотно они упакованы вместе, определяют плотность жидкости.
  • Так же, как и твердое тело, плотность жидкости равна массе жидкости, деленной на ее объем; D = м / об.
  • Плотность воды 1 грамм на кубический сантиметр.
  • Плотность вещества одинакова независимо от размера образца.

Сводка

Учащиеся измеряют объем и массу воды, чтобы определить ее плотность. Затем они измеряют массу разных объемов воды и обнаруживают, что плотность всегда одинакова. Учащиеся составляют график зависимости между объемом и массой воды.

Объектив

Студенты смогут измерять объем и массу воды и рассчитывать ее плотность. Студенты смогут объяснить, что, поскольку любой объем воды всегда имеет одинаковую плотность при данной температуре, эта плотность является характерным свойством воды.

Оценка

Загрузите лист активности учащегося и раздайте по одному каждому учащемуся, если это указано в упражнении. Лист упражнений будет служить компонентом «Оценить» каждого плана урока 5-E.

Безопасность

Убедитесь, что вы и ваши ученики носите правильно подогнанные очки.

материалов для каждой группы

  • Градуированный цилиндр, 100 мл
  • Вода
  • Весы с измерением в граммах (с возможностью измерения более 100 г)
  • Капельница

Материалы для демонстрации

  • Вода
  • Два одинаковых ведра или большие емкости
  1. Проведите демонстрацию, чтобы представить идею о плотности воды.

    Материалы

    • Вода
    • Два одинаковых ведра или большие емкости

    Подготовка учителей

    Наполните одно ведро наполовину и добавьте примерно 1 стакан воды в другое.

    Процедура

    • Выберите ученика, который поднимет оба ведра с водой.
    • Спросите студента-добровольца, какое ведро имеет большую массу.

    Ожидаемые результаты

    Ведро с большим количеством воды имеет большую массу.

    Спросите студентов:

    В уроках 3.1 — Что такое плотность? и 3.2 — Метод вытеснения воды, плотность твердых тел определяется путем измерения их массы и объема. Как вы думаете, жидкость, такая как вода, может иметь плотность?
    Студенты должны понимать, что вода имеет объем и массу. Поскольку D = m / v, вода также должна иметь плотность.
    Как вы думаете, можно определить плотность жидкости, такой как вода?
    Ожидается, что на данный момент студенты не смогут полностью ответить на этот вопрос. Это сделано как начало расследования. Но студенты могут понять, что сначала им нужно каким-то образом определить массу и объем воды.
    Может ли и небольшое, и большое количество воды, которое поднимает ваш одноклассник, иметь одинаковую плотность?
    Студенты могут указать, что ведро с большим количеством воды имеет большую массу, но больший объем. Ковш с меньшей массой имеет меньший объем. Таким образом, возможно, что разное количество воды может иметь одинаковую плотность.

    Раздайте каждому учащемуся лист с упражнениями.

    Учащиеся записывают свои наблюдения и отвечают на вопросы о задании в листе действий. «Объясни это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это». Дальнейшие разделы рабочего листа будут заполнены либо в классе, либо в группах, либо индивидуально в зависимости от ваших инструкций. Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.

  2. Обсудите со студентами, как найти объем и массу воды.

    Скажите студентам, что они попытаются найти плотность воды.

    Спросите студентов:

    Какие две вещи вам нужно знать, чтобы определить плотность воды?
    Студенты должны понимать, что им нужен как объем, так и масса пробы воды, чтобы определить ее плотность.
    Как можно измерить объем воды?
    Предложите учащимся использовать мерный цилиндр для измерения объема в миллилитрах.Напомните учащимся, что каждый миллилитр равен 1 см 3 .
    Как можно измерить массу воды?
    Предложите учащимся использовать весы для измерения массы в граммах. Скажите студентам, что они могут набрать массу, взвесив воду. Однако, поскольку вода — это жидкость, она должна быть в каком-то контейнере. Таким образом, чтобы взвесить воду, они должны взвесить и контейнер. Объясните учащимся, что им придется вычесть массу пустого градуированного цилиндра из массы цилиндра и воды, чтобы получить массу только воды.
  3. Попросите учащихся найти массу различных объемов воды, чтобы показать, что плотность воды не зависит от размера образца.

    Вопрос для расследования

    Имеет ли разное количество воды одинаковую плотность?

    Материалы для каждой группы

    • Градуированный цилиндр, 100 мл
    • Вода
    • Весы с измерением в граммах (с возможностью измерения более 100 г)
    • Капельница

    Процедура

    1. Найдите массу пустого градуированного цилиндра.Запишите массу в граммах в таблицу на рабочем столе.
    2. Налейте 100 мл воды в мерный цилиндр. Постарайтесь быть максимально точными, убедившись, что мениск находится прямо на отметке 100 мл. Используйте пипетку, чтобы добавить или удалить небольшое количество воды.

    3. Взвесьте мерный цилиндр с водой. Запишите массу в граммах.
    4. Найдите массу только воды, вычтя массу пустого градуированного цилиндра.Запишите в таблицу массу 100 мл воды.
    5. Используйте массу и объем воды для расчета плотности. Запишите в таблицу плотность в г / см 3 .
    6. Слейте воду, пока в мерный цилиндр не будет 50 мл воды. Если вы случайно вылили слишком много воды, добавляйте воду, пока не дойдете до 50 мл.
    7. Найдите массу 50 мл воды. Запишите массу в листе деятельности. Рассчитайте и запишите плотность.

    8. Затем слейте воду, пока в мерном цилиндре не будет 25 мл воды. Найдите массу 25 мл воды и запишите ее в таблицу. Рассчитайте и запишите плотность.
    Таблица 1. Определение плотности различных объемов воды.
    Объем воды 100 миллилитров 50 миллилитров 25 миллилитров
    Масса мерного цилиндра + вода (г)
    Масса пустого градуированного цилиндра (г)
    Масса воды (г)
    Плотность воды (г / см 3 )

    Ожидаемые результаты

    Плотность воды должна быть близка к 1 г / см 3 . Это верно для 100, 50 или 25 мл.

    Спросите студентов:

    Посмотрите на свои значения плотности на диаграмме. Кажется ли, что плотность разных объемов воды примерно одинакова?
    Помогите учащимся увидеть, что большинство различных значений плотности составляют около 1 г / см 3 . Они могут задаться вопросом, почему их значения не равны 1 г / см 3 . Одной из причин могут быть неточности в измерениях. Другая причина в том, что плотность воды меняется в зависимости от температуры.Вода наиболее плотная при 4 ° C и при этой температуре имеет плотность 1 г / см 3 . При комнатной температуре около 20–25 ° C плотность составляет около 0,99 г / см 3 .
    Какова плотность воды в г / см3?
    Ответы учащихся могут быть разными, но в большинстве случаев их значения должны составлять около 1 г / см 3 .
  4. Попросите учащихся построить график своих результатов.

    Помогите учащимся составить график данных на листе с заданиями. Ось X должна быть объемом, а ось Y — массой.

    Когда учащиеся наносят на график свои данные, должна быть прямая линия, показывающая, что по мере увеличения объема масса увеличивается на ту же величину.

  5. Обсудите наблюдения, данные и графики учащихся.

    Спросите студентов:

    Используйте свой график, чтобы найти массу 40 мл воды. Какова плотность этого объема воды?
    Масса 40 мл воды 40 грамм.Поскольку D = m / v и mL = cm 3 , плотность воды составляет 1 г / см 3 .
    Выберите объем от 1 до 100 мл. Используйте свой график, чтобы найти массу. Какова плотность этого объема воды?
    Независимо от того, весят ли учащиеся 100, 50, 25 мл или любое другое количество, плотность воды всегда будет 1 г / см 3 .

    Скажите студентам, что плотность — это характерное свойство вещества. Это означает, что плотность вещества одинакова независимо от размера образца.

    Спросите студентов:

    Является ли плотность характерным свойством воды? Откуда вы знаете?
    Плотность — это характерное свойство воды, потому что плотность любого образца воды (при той же температуре) всегда одинакова. Плотность 1 г / см 3 .
  6. Объясните, почему плотность воды любого размера всегда одинакова.

    Спроецировать изображение Плотность воды.

    Все молекулы воды имеют одинаковую массу и размер. Молекулы воды также расположены довольно близко друг к другу. Они упакованы одинаково во всей пробе воды. Итак, если объем воды имеет определенную массу, удвоенный объем будет иметь удвоенную массу, трехкратный объем будет иметь трехкратную массу и т. Д. Независимо от того, какой размер пробы воды вы измеряете, соотношение между массой и объемом всегда будет таким же. Поскольку D = m / v, плотность одинакова для любого количества воды.

    Спроектируйте анимацию «Жидкая вода».

    Молекулы воды всегда в движении. Но в среднем они все упакованы одинаково. Следовательно, соотношение между массой и объемом одинаково, а плотность одинакова. Это верно независимо от размера выборки или от того, где вы ее выбрали.

  7. Попросите учащихся подумать, совпадает ли плотность большого куска твердого вещества с плотностью меньшего куска.

    Дайте студентам время вычислить плотность каждого из трех образцов, нарисованных на их листе с заданиями, и ответить на соответствующие вопросы.

    Спросите студентов:

    Плотность жидкости одинакова независимо от размера образца. Может ли это быть верно и для твердых тел? Чтобы выяснить это, вычислите плотность каждого из трех образцов.
    Да. Плотность твердого вещества одинакова независимо от размера образца.
    Образец А имеет массу 200 г. Какова плотность образца А?
    • D = м / об
    • D = 200 г / 100 см 3
    • D = 2 г / см 3
    Если вы разрежете образец A пополам и посмотрите только на одну половину, вы получите образец B. Какова плотность образца B?
    Если учащиеся не знают, какова масса, скажите им, что это половина массы образца А.Поскольку образец A был 200 г, образец B составляет половину объема и, следовательно, половину массы (100 г).
    • D = м / об
    • D = 100 г / 50 см 3
    • D = 2 г / см 3
    Если разрезать образец B пополам, вы получите образец C. Какова плотность образца C?
    • D = м / об
    • D = 50 г / 25 см 3
    • D = 2 г / см 3

Плотность и измерение плотности :: Anton Paar Wiki

Современные цифровые плотномеры основаны на принципе колеблющейся U-образной трубки.Трубка, обычно U-образная стеклянная трубка, возбуждается и начинает колебаться с определенной частотой в зависимости от залитого образца. Путем определения соответствующей частоты можно рассчитать плотность образца.

С 1967 года, когда был выпущен первый в мире цифровой плотномер, по 2018 год, все настольные плотномеры работали в соответствии с «методом принудительных колебаний» по принципу U-образной трубки. Однако сейчас эта технология достигла своих пределов. Усовершенствованный метод использования принципа U-образной трубки — метод импульсного возбуждения — доступен с 2018 года.Для получения дополнительной информации см. Здесь.

Цифровые плотномеры

, основанные на принципе колеблющейся U-образной трубки, являются очень эффективными приборами, которые позволяют быстро и точно измерять плотность жидкости в широком диапазоне температуры и давления. Они измеряют истинную плотность (плотность в вакууме), поэтому нет влияния плавучести воздуха или силы тяжести.

В отличие от традиционных статических методов (таких как ареометры, пикнометры или гидростатическое взвешивание) требуется лишь небольшое количество образца, прибл.От 1 мл до 2 мл. Цифровые плотномеры просты в эксплуатации и не предъявляют особых требований к условиям окружающей среды или контролю температуры. [17] [21]

Современные высокоточные плотномеры дополнительно обеспечивают коррекцию вязкости, даже определение вязкости и эталонный генератор для получения точных результатов в большом диапазоне плотностей, температур и вязкостей.

Колебание ячейки вызывается механическим или электронным способом.Константы прибора (которые используются для настройки плотномера) используются для расчета плотности образца на основе его частоты колебаний или периода колебаний.

Подробное сравнение различных качающихся U-образных трубок см. Здесь.

Если вы в настоящее время выполняете измерения плотности с помощью ареометра или пикнометра, вы можете проверить здесь, сколько денег и времени вы бы сэкономили, используя цифровой плотномер или цифровой ареометр. Окупаемость инвестиций зависит от количества образцов, которые вы измеряете в день.

14.1 Жидкости, плотность и давление — Университетская физика, том 1

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Назовите различные фазы материи
  • Опишите характеристики фаз вещества на молекулярном или атомном уровне
  • Различия между сжимаемыми и несжимаемыми материалами
  • Определение плотности и связанных с ней единиц СИ
  • Сравните и сопоставьте плотности различных веществ
  • Определение давления и связанных с ним единиц СИ
  • Объясните взаимосвязь между давлением и силой
  • Рассчитать усилие с учетом давления и площади

Материя чаще всего существует в твердом, жидком или газообразном состоянии; эти состояния известны как три общие фазы материи. В этом разделе мы подробно рассмотрим каждый из этих этапов.

Характеристики твердых тел

Твердые тела имеют определенные формы и объемы. Атомы или молекулы в твердом теле находятся в непосредственной близости друг от друга, и между этими молекулами существует значительная сила. Твердые тела будут принимать форму, определяемую природой этих сил между молекулами. Хотя настоящие твердые тела не являются несжимаемыми, тем не менее, для изменения формы твердого тела требуется большая сила.В некоторых случаях сила между молекулами может заставить молекулы организоваться в решетку, как показано на (Рисунок). Структура этой трехмерной решетки представлена ​​в виде молекул, связанных жесткими связями (моделируемыми как жесткие пружины), которые обеспечивают ограниченную свободу движения. Даже большая сила вызывает лишь небольшие смещения в атомах или молекулах решетки, и твердое тело сохраняет свою форму. Твердые тела также сопротивляются силам сдвига. (Силы сдвига — это силы, прикладываемые по касательной к поверхности, как описано в разделе «Статическое равновесие и упругость». )

Характеристики жидкостей

Жидкости и газы считаются жидкостями , потому что они поддаются сдвиговым усилиям, тогда как твердые тела им сопротивляются. Как и в твердых телах, молекулы в жидкости связаны с соседними молекулами, но обладают гораздо меньшим количеством этих связей. Молекулы в жидкости не заблокированы на месте и могут двигаться относительно друг друга. Расстояние между молекулами аналогично расстояниям в твердом теле, поэтому жидкости имеют определенные объемы, но форма жидкости изменяется в зависимости от формы ее контейнера.Газы не связаны с соседними атомами и могут иметь большие расстояния между молекулами. У газов нет ни определенной формы, ни определенного объема, поскольку их молекулы движутся, чтобы заполнить емкость, в которой они содержатся ((Рисунок)).

Рис. 14.2 (a) Атомы в твердом теле всегда находятся в тесном контакте с соседними атомами, удерживаясь на месте силами, представленными здесь пружинами. (б) Атомы в жидкости также находятся в тесном контакте, но могут скользить друг по другу. Силы между атомами сильно сопротивляются попыткам сжать атомы.(c) Атомы в газе перемещаются свободно и разделены большими расстояниями. Газ должен храниться в закрытом контейнере, чтобы предотвратить его свободное расширение и утечку.

Жидкости легко деформируются при напряжении и не возвращаются к своей первоначальной форме после снятия силы. Это происходит потому, что атомы или молекулы в жидкости могут свободно перемещаться и менять соседей. То есть текут жидкости (так что они представляют собой тип жидкости), а молекулы удерживаются вместе за счет взаимного притяжения. Когда жидкость помещается в емкость без крышки, она остается в емкости.Поскольку атомы плотно упакованы, жидкости, как и твердые тела, сопротивляются сжатию; для изменения объема жидкости необходимо чрезвычайно большое усилие.

Напротив, атомы в газах разделены большими расстояниями, и поэтому силы между атомами в газе очень слабые, за исключением случаев, когда атомы сталкиваются друг с другом. Это позволяет относительно легко сжимать газы и позволяет им течь (что делает их жидкими). При помещении в открытый контейнер газы, в отличие от жидкостей, улетучиваются.

В этой главе мы обычно называем газы и жидкости просто жидкостями, проводя различие между ними только тогда, когда они ведут себя по-разному. Существует еще одна фаза вещества, плазма, которая существует при очень высоких температурах. При высоких температурах молекулы могут диссоциировать на атомы, а атомы диссоциировать на электроны (с отрицательными зарядами) и протоны (с положительными зарядами), образуя плазму. Плазма не будет подробно обсуждаться в этой главе, потому что плазма имеет очень разные свойства от трех других общих фаз материи, обсуждаемых в этой главе, из-за сильных электрических сил между зарядами.

Плотность

Предположим, что кусок латуни и кусок дерева имеют одинаковую массу. Если оба блока упали в резервуар с водой, почему дерево всплывает, а латунь тонет ((Рисунок))? Это происходит потому, что латунь имеет большую плотность, чем вода, тогда как древесина имеет меньшую плотность, чем вода.

Рис. 14.3 (a) Брусок из латуни и брусок имеют одинаковый вес и массу, но брусок имеет гораздо больший объем. (b) При помещении в аквариум, наполненный водой, латунный куб тонет, а деревянный брусок плавает.(Деревянный брусок на обоих рисунках одинаковый; он был повернут набок, чтобы поместиться на шкале.)

Плотность — важная характеристика веществ. Это очень важно, например, для определения того, тонет объект или плавает в жидкости.

Плотность

Средняя плотность вещества или объекта определяется как его масса на единицу объема,

где греческая буква

(rho) — это символ плотности, м, — масса, а V — объем.

Единица плотности в системе СИ —

.

. (Рисунок) перечислены некоторые репрезентативные значения. Единица плотности cgs — грамм на кубический сантиметр,

.

, где

Метрическая система изначально была разработана таким образом, чтобы вода имела плотность

.

, что эквивалентно

. Таким образом, основная единица массы, килограмм, была впервые предложена как масса 1000 мл воды, имеющая объем

.

.

Плотность некоторых обычных веществ
Твердые вещества

(

)

Жидкости

(

)

Газы

(

101,3 кПа)

Вещество

Вещество

Вещество

Алюминий

Бензол

Воздух

Кость

Кровь

Двуокись углерода

Латунь

Спирт этиловый

Окись углерода

Бетон

Бензин

Гелий

Медь

Глицерин

Водород

Пробка

Меркурий

Метан

Земная кора

Оливковое масло

Азот

Стекло

Закись азота

Золото

Кислород

Гранит

Утюг

Свинец

Дуб

Сосна

Платина

Полистирол

Вольфрам

Уран

Как вы можете видеть, изучив (рисунок), плотность объекта может помочь определить его состав.Плотность золота, например, примерно в 2,5 раза больше плотности железа, что примерно в 2,5 раза больше плотности алюминия. Плотность также кое-что говорит о фазе материи и ее субструктуре. Обратите внимание, что плотности жидкостей и твердых тел примерно сопоставимы, что согласуется с тем фактом, что их атомы находятся в тесном контакте. Плотность газов намного меньше, чем у жидкостей и твердых тел, потому что атомы в газах разделены большим количеством пустого пространства. Газы отображаются для стандартной температуры

° С.

и стандартное давление 101.3 кПа, и наблюдается сильная зависимость плотности от температуры и давления. Отображаемые плотности твердых и жидких тел даны для стандартной температуры

° С.

, а плотность твердых тел и жидкостей зависит от температуры. Плотность твердых тел и жидкостей обычно увеличивается с понижением температуры.

(рисунок) показывает плотность воды в различных фазах и температуре. Плотность воды увеличивается с понижением температуры, достигая максимума при

° С.

, а затем уменьшается при понижении температуры ниже

.Такое поведение плотности воды объясняет, почему лед образуется наверху водоема.

Плотность воды
Вещество

Лед

Вода

Вода

Вода

Вода

Пар

Морская вода

Плотность вещества не обязательно постоянна во всем объеме вещества.Если плотность во всем веществе постоянна, вещество считается гомогенным веществом . Твердый железный пруток — это пример однородного вещества. Плотность постоянна повсюду, и плотность любого образца вещества равна его средней плотности. Если плотность вещества непостоянна, вещество считается гетерогенным веществом . Кусок швейцарского сыра является примером неоднородного материала, содержащего как твердый сыр, так и заполненные газом пустоты.Плотность в определенном месте в неоднородном материале называется локальной плотностью и дается как функция местоположения

.

((рисунок)).

Рис. 14.4 Плотность может варьироваться в неоднородной смеси. Локальная плотность в точке получается делением массы на объем в небольшом объеме вокруг данной точки.

Локальная плотность может быть получена с помощью процесса ограничения, основанного на средней плотности в небольшом объеме вокруг рассматриваемой точки, принимая предел, при котором размер объема приближается к нулю,

где

— плотность, м, — масса, V, — объем.

Поскольку газы могут свободно расширяться и сжиматься, плотности газов значительно изменяются с температурой, тогда как плотности жидкостей мало меняются с температурой. Поэтому плотности жидкостей часто считаются постоянными, при этом плотность равна средней плотности.

Плотность — это размерная характеристика; поэтому при сравнении плотностей двух веществ необходимо учитывать единицы измерения. По этой причине для сравнения плотностей часто используется более удобная безразмерная величина, называемая удельным весом. Удельный вес определяется как отношение плотности материала к плотности воды при

и одна атмосфера давления, что составляет

:

В сравнении используется вода, потому что плотность воды

, который изначально использовался для определения килограмма. Удельный вес, будучи безразмерным, позволяет легко сравнивать материалы, не беспокоясь об единицах плотности.Например, плотность алюминия составляет 2,7 дюйма

.

(2700 из

)

), но его удельный вес составляет 2,7 независимо от единицы плотности. Удельный вес является особенно полезной величиной с точки зрения плавучести, которую мы обсудим позже в этой главе.

Давление

Вы, несомненно, слышали слово «давление», используемое по отношению к крови (высокое или низкое кровяное давление) и к погоде (погодные системы с высоким и низким давлением).Это только два из многих примеров давления в жидкости. (Напомним, что мы ввели идею давления в статическое равновесие и упругость в контексте объемных напряжений и деформаций.)

Давление

Давление ( p ) определяется как нормальная сила F на единицу площади A , к которой прилагается сила, или

Чтобы определить давление в определенной точке, давление определяется как сила dF , оказываемая жидкостью на бесконечно малый элемент площади dA , содержащий точку, в результате чего получается

.

Данная сила может иметь существенно разный эффект в зависимости от области, на которую действует сила. Например, сила, приложенная к площади

имеет давление, которое в 100 раз превышает ту же силу, приложенную к области

Вот почему острая игла способна протыкать кожу при приложении небольшой силы, но приложение того же усилия пальцем не протыкает кожу ((Рисунок)).

Рисунок 14.5 (a) Человек, которого тыкают пальцем, может раздражать, но сила не имеет длительного эффекта. (b) Напротив, той же силы, приложенной к области размером с острый конец иглы, достаточно, чтобы сломать кожу.

Обратите внимание, что хотя сила — это вектор, давление — это скаляр. Давление — это скалярная величина, потому что она определяется как пропорциональная величине силы, действующей перпендикулярно площади поверхности. Единица измерения давления в системе СИ — паскаль (Па), названная в честь французского математика и физика Блеза Паскаля (1623–1662), где

Для измерения давления используется несколько других единиц, которые мы обсудим позже в этой главе.

Изменение давления с глубиной в жидкости постоянной плотности

Давление определено для всех состояний вещества, но особенно важно при обсуждении жидкостей. Важной характеристикой жидкостей является отсутствие значительного сопротивления компоненту силы, приложенной параллельно поверхности жидкости. Молекулы жидкости просто текут, чтобы приспособиться к горизонтальной силе. Сила, приложенная перпендикулярно к поверхности, сжимает или расширяет жидкость. Если вы попытаетесь сжать жидкость, вы обнаружите, что сила реакции развивается в каждой точке внутри жидкости во внешнем направлении, уравновешивая силу, приложенную к молекулам на границе.

Рассмотрим жидкость постоянной плотности, как показано на (Рисунок). Давление на дне емкости обусловлено атмосферным давлением

плюс давление из-за веса жидкости. Давление, создаваемое жидкостью, равно весу жидкости, деленному на площадь. Вес жидкости равен ее массе, умноженной на ускорение свободного падения.

Рис. 14.6 Дно этого контейнера выдерживает весь вес находящейся в нем жидкости.Вертикальные стороны не могут оказывать восходящее усилие на жидкость (поскольку она не может выдерживать силу сдвига), поэтому дно должно поддерживать все это.

Поскольку плотность постоянна, вес можно рассчитать, используя плотность:

Следовательно, давление на дне контейнера равно атмосферному давлению, добавленному к весу жидкости, разделенному на площадь:

Это уравнение применимо только для давления на глубине для жидкости постоянной плотности.

Давление на глубине для жидкости постоянной плотности

Давление на глубине в жидкости постоянной плотности равно давлению атмосферы плюс давление, обусловленное весом жидкости, или

Где p — давление на определенной глубине,

— давление атмосферы,

— плотность жидкости, г, — ускорение свободного падения, ч, — глубина.

Рис. 14.7 Плотина «Три ущелья», построенная на реке Янцзы в центральном Китае в 2008 году, создала массивный водохранилище, в результате которого было перемещено более одного миллиона человек. (Источник: «Le Grand Portage» / Flickr)

Пример

Какую силу должна выдержать плотина?

Рассмотрим давление и силу, действующие на плотину, удерживающую резервуар с водой ((рисунок)). Предположим, что плотина имеет ширину 500 м, а глубина воды у плотины составляет 80,0 м, как показано ниже. а) Каково среднее давление воды на плотину? (b) Рассчитайте силу, действующую на плотину.

Среднее давление p из-за веса воды — это давление на средней глубине h , равное 40,0 м, так как давление увеличивается линейно с глубиной. Сила, оказываемая водой на плотину, равна среднему давлению, умноженному на площадь контакта,

раствор
  1. Среднее давление из-за веса жидкости составляет

    Введите плотность воды из (Рисунок) и приняв h за среднюю глубину 40.0 м получаем

  2. Мы уже нашли значение р. . Площадь плотины составляет

    , так что

Значение

Хотя эта сила кажется большой, она мала по сравнению с

.

вес воды в резервуаре. На самом деле это всего 0,0800% от веса.

Проверьте свое понимание

Если водохранилище на (Рисунок) покрывает вдвое большую площадь, но сохраняется на той же глубине, потребуется ли перепроектировать плотину?

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958020276 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958020276 ″]

Давление, указанное в части (а) примера, полностью не зависит от ширины и длины озера; это зависит только от его средней глубины на плотине.Таким образом, сила зависит только от средней глубины воды и размеров плотины, а не от горизонтальной протяженности водохранилища. На схеме обратите внимание, что толщина дамбы увеличивается с глубиной, чтобы уравновесить возрастающую силу из-за увеличения давления.

[/ hidden-answer]

Давление в статической жидкости в однородном гравитационном поле

Статическая жидкость — это жидкость, которая не движется. В любой точке статической жидкости давление со всех сторон должно быть одинаковым, иначе жидкость в этой точке отреагирует на результирующую силу и ускорится.

Давление в любой точке статической жидкости зависит только от глубины в этой точке. Как уже говорилось, давление в жидкости около Земли изменяется с глубиной из-за веса жидкости над определенным уровнем. В приведенных выше примерах мы предполагали, что плотность постоянна, а средняя плотность жидкости является хорошим представлением плотности. Это разумное приближение для жидкостей, таких как вода, где для сжатия жидкости или изменения объема требуются большие силы. В плавательном бассейне, например, плотность примерно постоянна, и вода внизу очень слабо сжимается под весом воды наверху.Однако путешествие в атмосфере — это совсем другая ситуация. Плотность воздуха начинает значительно меняться на небольшом расстоянии от поверхности Земли.

Чтобы вывести формулу для изменения давления с глубиной в резервуаре, содержащем жидкость плотностью ρ на поверхности Земли, мы должны исходить из предположения, что плотность жидкости непостоянна. Жидкость, расположенная на более глубоких уровнях, подвергается большей силе, чем жидкость, находящаяся ближе к поверхности, из-за веса жидкости над ней.Следовательно, давление, рассчитанное на данной глубине, отличается от давления, рассчитанного с использованием постоянной плотности.

Представьте себе тонкий элемент жидкости на глубине х , как показано на (Рисунок). Пусть элемент имеет площадь поперечного сечения A и высоту

. Силы, действующие на элемент, возникают из-за давления p ( y ) выше и

ниже. Вес самого элемента также показан на диаграмме свободного тела.

Рис. 14.8 Силы, действующие на элемент массы внутри жидкости. Вес самого элемента показан на диаграмме свободного тела.

Так как элемент жидкости между y и

не разгоняется, силы уравновешены. Используя декартову ось y , ориентированную вверх, мы находим следующее уравнение для компонента y :

Обратите внимание, что если бы элемент имел ненулевую составляющую ускорения y , правая часть не была бы равна нулю, а вместо этого была бы массой, умноженной на y -ускорение.Массу элемента можно записать через плотность жидкости и объем элементов:

Подставляя это выражение для

на (рисунок), а затем разделив обе стороны на

, находим

Переход к пределу бесконечно тонкого элемента

, мы получаем следующее дифференциальное уравнение, которое дает изменение давления в жидкости:

Это уравнение говорит нам, что скорость изменения давления в жидкости пропорциональна плотности жидкости.Решение этого уравнения зависит от того, постоянна ли плотность ρ или изменяется с глубиной; то есть функция ρ ( y ).

Если диапазон анализируемой глубины не слишком велик, мы можем считать плотность постоянной. Но если диапазон глубин достаточно велик, чтобы плотность могла заметно меняться, как, например, в случае атмосферы, плотность меняется с глубиной. В этом случае мы не можем использовать приближение постоянной плотности.

Давление в жидкости постоянной плотности

Давайте воспользуемся (рис.), Чтобы составить формулу для давления на глубине h от поверхности в резервуаре с жидкостью, такой как вода, где плотность жидкости можно считать постоянной.

Нам нужно интегрировать (рисунок) от

, где давление — атмосферное

С

по

y — координата глубины:

Следовательно, давление на глубине жидкости на поверхности Земли равно атмосферному давлению плюс ρgh , если плотность жидкости постоянна по высоте, как мы обнаружили ранее.

Обратите внимание, что давление в жидкости зависит только от глубины от поверхности, а не от формы контейнера. Таким образом, в контейнере, где жидкость может свободно перемещаться в различных частях, жидкость остается на одном уровне во всех частях, независимо от формы, как показано на (Рисунок).

Рисунок 14.9 Если жидкость может свободно течь между частями контейнера, она поднимается на одинаковую высоту в каждой части. В изображенном контейнере давление внизу каждой колонки одинаковое; если бы это было не так, жидкость текла бы до тех пор, пока давления не сравнялись бы.
Изменение атмосферного давления с высотой

Особый интерес представляет изменение атмосферного давления с высотой. Предполагая, что температура воздуха постоянна и что закон термодинамики идеального газа описывает атмосферу в хорошем приближении, мы можем найти изменение атмосферного давления с высотой, когда температура постоянна. (Мы обсудим закон идеального газа в следующей главе, но мы предполагаем, что вы знакомы с ним из средней школы и по химии.) Пусть p ( y ) будет атмосферным давлением на высоте y . Плотность

при y , температура T по шкале Кельвина (K) и масса м молекулы воздуха связаны с абсолютным давлением по закону идеального газа в виде

где

— постоянная Больцмана, имеющая значение

.

.

Вы могли встретить закон идеального газа в форме

, где n — количество молей, а R — газовая постоянная. Здесь тот же закон записан в другой форме с использованием плотности

вместо тома V . Следовательно, если давление p изменяется с высотой, плотность

изменяется.

Используя плотность из закона идеального газа, скорость изменения давления с высотой определяется как

, где в скобках указаны постоянные количества.Замена этих констант одним символом

уравнение выглядит намного проще:

Это дает решение

Таким образом, атмосферное давление экспоненциально падает с высотой, поскольку ось y направлена ​​вверх от земли, а y имеет положительные значения в атмосфере над уровнем моря. Давление падает в

раз.

при высоте

, что дает нам физическую интерпретацию для

: Константа

— это шкала длины, которая характеризует изменение давления в зависимости от высоты и часто называется высотой шкалы давления.

Мы можем получить приблизительное значение

, используя массу молекулы азота в качестве заместителя для молекулы воздуха. При температуре

или 300 К, находим

Следовательно, на каждые 8800 метров давление воздуха падает в 1/ e раз, или примерно на одну треть своего значения. Это дает нам лишь приблизительную оценку реальной ситуации, поскольку мы предположили и постоянную температуру, и постоянную температуру g на таких больших расстояниях от Земли, что в действительности не является правильным.

Направление давления в жидкости

Давление жидкости не имеет направления, будучи скалярной величиной, в то время как силы, обусловленные давлением, имеют четко определенные направления: они всегда действуют перпендикулярно любой поверхности. Причина в том, что жидкости не могут противостоять усилиям сдвига или проявлять их. Таким образом, в статической жидкости, заключенной в резервуар, сила, действующая на стенки резервуара, действует перпендикулярно внутренней поверхности. Точно так же давление действует перпендикулярно к поверхностям любого объекта в жидкости.(Рисунок) иллюстрирует давление, оказываемое воздухом на стенки шины и водой на тело пловца.

Рис. 14.10 (a) Давление внутри этой шины оказывает силы, перпендикулярные всем поверхностям, с которыми она контактирует. Стрелки показывают направления и величины сил, действующих в различных точках. (b) Давление оказывается перпендикулярно всем сторонам этого пловца, так как вода текла бы в пространство, которое он занимает, если бы его там не было. Стрелки показывают направления и величины сил, действующих на пловца в различных точках.Обратите внимание, что силы снизу больше из-за большей глубины, что дает чистую восходящую или выталкивающую силу. Чистая вертикальная сила, действующая на пловца, равна сумме выталкивающей силы и веса пловца.

Сводка

  • Жидкость — это состояние вещества, которое поддается боковым или поперечным силам. Жидкости и газы — это жидкости. Статика жидкости — это физика неподвижных жидкостей.
  • Плотность — это масса на единицу объема вещества или объекта, определяемая как

    Единица плотности в системе СИ —

    .

  • Давление — это сила, приходящаяся на единицу перпендикулярной площади, к которой прилагается сила,

    Единицей давления в системе СИ является паскаль:

    .

    .

  • Давление, обусловленное весом жидкости постоянной плотности, определяется по формуле

    , где p — давление, h — глубина жидкости,

    — плотность жидкости, а г, — ускорение свободного падения.

Концептуальные вопросы

Какие из следующих веществ являются жидкостями при комнатной температуре и атмосферном давлении: воздух, ртуть, вода, стекло?

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958994176 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958994176 ″]

Ртуть и вода являются жидкими при комнатной температуре и атмосферном давлении.Воздух — это газ при комнатной температуре и атмосферном давлении. Стекло представляет собой аморфный твердый (некристаллический) материал при комнатной температуре и атмосферном давлении. Одно время считалось, что стекло течет, но течет очень медленно. Эта теория возникла из наблюдения, что старые стеклянные плоскости были толще внизу. Сейчас считается маловероятным, что эта теория верна.

[/ hidden-answer]

Почему газы сжимать легче, чем жидкости и твердые тела?

Объясните, как плотность воздуха зависит от высоты.

[Показать-ответ q = ”fs-id1170958006029 ″] Показать решение [/ раскрыть-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958006029 ″]

Плотность воздуха уменьшается с высотой. Для столба воздуха постоянной температуры плотность уменьшается экспоненциально с высотой. Это хорошее приближение, но поскольку температура меняется с высотой, это только приближение.

[/ hidden-answer]

На изображении показан стакан с ледяной водой, наполненный до краев.Будет ли вода переливаться, когда лед тает? Поясните свой ответ.

Как давление связано с остротой ножа и его режущей способностью?

[show-answer q = ”fs-id1170958071670 ″] Показать решение [/ show-answer]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958071670 ″]

Давление — это сила, разделенная на площадь. Если нож острый, сила, прикладываемая к режущей поверхности, делится на меньшую площадь, чем та же сила, прикладываемая тупым ножом. Это означает, что давление будет больше для более острого ножа, что повысит его режущую способность.

[/ hidden-answer]

Почему статическая жидкость воздействует на поверхность всегда перпендикулярно ей?

Представьте себе, что в отдаленном месте недалеко от Северного полюса кусок льда плавает в озере. Рядом с озером на суше находится ледник такого же объема, как плавучий лед. Если оба куска льда растают из-за повышения глобальной температуры, и весь растаявший лед уйдет в озеро, какой из них приведет к повышению уровня озера больше всего? Объяснять.

[show-answer q = ”fs-id1170958021844 ″] Показать решение [/ show-answer]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958021844 ″]

Если бы два куска льда имели одинаковый объем, они производили бы одинаковый объем воды. Однако ледник вызовет наибольший подъем в озере, потому что часть плавающего глыбы льда уже погружена в озеро и, таким образом, уже способствует повышению уровня озера.

[/ hidden-answer]

В балете танец на пуантах (на кончиках пальцев) дается намного сложнее, чем при обычном танце или ходьбе.Объясните почему с точки зрения давления.

Атмосферное давление оказывает на верхнюю часть тела большую силу (равную весу атмосферы над вашим телом — около 10 тонн), когда вы лежите на пляже и принимаете солнечные ванны. Почему ты можешь встать?

[show-answer q = ”fs-id1170958068067 ″] Показать решение [/ show-answer]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958068067 ″]

Давление действует на все ваше тело, если вы не находитесь в вакууме.

[/ hidden-answer]

Почему атмосферное давление падает с высотой быстрее, чем линейно?

На изображении показано, как мешки с песком, размещенные вокруг утечки за пределами речной дамбы, могут эффективно остановить поток воды под дамбой.Объясните, как небольшое количество воды внутри колонны мешков с песком может уравновесить гораздо больший объем воды за дамбой.

[показать-ответ q = ”416788 ″] Показать решение [/ раскрыть-ответ]
[скрытый-ответ a =” 416788 ″] Поскольку уровень реки очень высок, она начала просачиваться под дамбу. Мешки с песком помещаются вокруг утечки, и удерживаемая ими вода поднимается до уровня реки, после чего вода перестает подниматься. Мешки с песком будут поглощать воду до тех пор, пока она не достигнет уровня воды в дамбе.[/ hidden-answer]

Имеется ли чистая сила на плотине из-за атмосферного давления? Поясните свой ответ.

Добавляет ли атмосферное давление давление газа в жестком резервуаре? На воздушном шарике? Когда вообще атмосферное давление не влияет на общее давление в жидкости?

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958011807 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958011807 ″]

Атмосферное давление не влияет на давление газа в жестком баллоне, но влияет на давление внутри воздушного шара.Обычно атмосферное давление влияет на давление жидкости, если жидкость не заключена в жесткий контейнер.

[/ hidden-answer]

Вы можете разбить крепкую винную бутылку, вбив в нее пробку кулаком, но пробка должна давить прямо на жидкость, наполняющую бутылку — между пробкой и жидкостью не должно быть воздуха. Объясните, почему бутылка разбивается, только если между пробкой и жидкостью нет воздуха.

Проблемы

Золото продается за тройскую унцию (31.103 г). Каков объем 1 тройской унции чистого золота?

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958071483 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958071483 ″]

1,610

[/ hidden-answer]

Ртуть обычно поставляется в колбах по 34,5 кг (около 76 фунтов). Каков объем в литрах такого количества ртути?

Какова масса глубокого вдоха воздуха объемом 2,00 л? Обсудите, как такой вдох влияет на объем и плотность вашего тела.

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958073311 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958073311 ″]

Масса 2,58 г. Объем вашего тела увеличивается за счет объема вдыхаемого вами воздуха. Средняя плотность вашего тела уменьшается, когда вы делаете глубокий вдох, потому что плотность воздуха значительно меньше средней плотности тела.

[/ hidden-answer]

Простой метод определения плотности объекта — измерить его массу, а затем измерить его объем, погрузив его в градуированный цилиндр.Какова плотность 240-граммовой породы, которая вытесняет

?

воды? (Обратите внимание, что точность и практическое применение этого метода более ограничены, чем у множества других, основанных на принципе Архимеда.)

Предположим, у вас есть кофейная кружка с круглым поперечным сечением и вертикальными сторонами (равномерный радиус). Каков его внутренний радиус, если он вмещает 375 г кофе при заполнении на глубину 7,50 см? Предположим, кофе имеет ту же плотность, что и вода.

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958

9 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958

9 ″]

3.99 см

[/ hidden-answer]

Прямоугольный бензобак вмещает 50,0 кг бензина в полном объеме. Какова глубина резервуара, если его ширина 0,500 м, длина 0,900 м? (b) Обсудите, имеет ли этот бензобак разумный объем для легкового автомобиля.

Компактор для мусора может сжимать его содержимое до 0,350 раза по сравнению с исходным объемом. Если пренебречь массой вытесненного воздуха, во сколько раз увеличивается плотность мусора?

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958

5 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958

5 ″]

2.В 86 раз плотнее

[/ hidden-answer]

Стальная канистра для бензина массой 2,50 кг вмещает 20,0 л бензина в полном объеме. Какова средняя плотность полной канистры с газом с учетом объема, занятого сталью, а также бензином?

Какова плотность 18-каратного золота, состоящего из 18 частей золота, 5 частей серебра и 1 части меди? (Эти значения являются массовыми частями, а не объемом.) Предположим, что это простая смесь, имеющая среднюю плотность, равную взвешенным плотностям ее составляющих.

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958073263 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958073263 ″]

[/ hidden-answer]

Наконечник гвоздя оказывает огромное давление при ударе молотком, потому что он оказывает большое усилие на небольшой площади. Какое усилие необходимо приложить к гвоздю с круглым наконечником диаметром 1,00 мм, чтобы создать давление

?

(Такое высокое давление возможно, потому что молоток, ударяющий по гвоздю, останавливается на таком коротком расстоянии.)

Стеклянная трубка содержит ртуть. Какой будет высота столба ртути, который создаст давление, равное 1,00 атм?

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958073457 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958073457 ″]

[/ hidden-answer]

Самые большие глубины океана на Земле находятся в Марианской впадине недалеко от Филиппин. Вычислите давление океана на дне траншеи, учитывая ее глубину 11.0 км и при условии, что плотность морской воды постоянна на всем протяжении.

Убедитесь, что в системе СИ

это

.

[показывать-ответ q = ”fs-id1170958698863 ″] Показать решение [/ показывать-ответ]

[скрытый-ответ a = ”fs-id1170958698863 ″]

пруф

[/ hidden-answer]

Какое давление оказывается на дно бензобака шириной 0,500 м и длиной 0,900 м, вмещающем 50 единиц.0 кг бензина при полном?

Плотина используется для сдерживания реки. Плотина имеет высоту

м.

и шириной

Предположим, что плотность воды

(a) Определите чистую силу, действующую на плотину. (б) Почему толщина плотины увеличивается с глубиной?

[раскрыть-ответ q = ”821152 ″] Показать решение [/ раскрыть-ответ]
[скрытый-ответ a =” 821152 ″] a. Давление при

; б.Давление увеличивается с увеличением глубины, поэтому дамба должна быть толще к дну, чтобы выдерживать большее давление. [/ Hidden-answer]

Глоссарий

плотность
Масса на единицу объема вещества или объекта
жидкости
жидкостей и газов; Жидкость — это состояние вещества, которое поддается поперечным силам
давление
Сила на единицу площади, приложенная перпендикулярно к площади, на которую действует сила
удельный вес
отношение плотности объекта к жидкости (обычно воде)

Плотность воды

• Школа наук о воде ГЛАВНАЯ • Темы о свойствах воды •

Плотность воды

Если вы еще учитесь в школе, вы, вероятно, слышали это утверждение на уроке естествознания: « Плотность — это масса на единицу объема вещества». На Земле вы можете считать, что масса равна весу, если это упрощает задачу.

Если вы еще не ходите в школу, вы, вероятно, забыли, что когда-либо слышали это. Определение плотности становится более понятным после небольшого пояснения. Пока объект состоит из молекул и, следовательно, имеет размер или массу, он имеет плотность. Плотность — это просто вес для выбранного количества (объема) материала. Обычной единицей измерения плотности воды является грамм на миллилитр (1 г / мл) или 1 грамм на кубический сантиметр (1 г / см 3 ).

На самом деле, точная плотность воды на самом деле не 1 г / мл, а немного меньше (очень, очень немного меньше), 0,9998395 г / мл при 4,0 ° Цельсия (39,2 ° Фаренгейта). Однако чаще всего вы увидите округленное значение 1 г / мл.

Плотность воды зависит от температуры

Расти со старшим братом было трудно, особенно когда к нему приходили друзья, потому что их любимым занятием было придумывать способы разозлить меня. Однако однажды мне удалось использовать плотность воды, чтобы хотя бы подшутить над ними.В один жаркий летний день они поднялись на огромный холм рядом с нашим домом, чтобы выкопать яму, чтобы спрятать свою коллекцию крышек от бутылок. Они захотели пить и заставили меня вернуться домой и принести им галлон воды. Этот галлон водопроводной воды при температуре 70 ° F весил 8,329 фунта, что было много для 70-фунтового ребенка, который поднялся на огромный холм.

Итак, когда они потребовали еще один галлон воды, я заглянул в «Интернет» того дня — энциклопедию — и обнаружил, что галлон воды при температуре кипения весил всего 7.996 фунтов! Я побежал вверх по холму, неся свой галлон воды, который весил на 0,333 фунта меньше; и побежали вниз еще быстрее, их сердитые голоса стихли позади меня.

Температура
(° F / ° C)
Плотность
(грамм / см 3
Вес
(фунты / футы 3
32 ° F / 0 ° C 0,99987 62,416
39,2 ° F / 4,0 ° C 1,00000 62.424
4,4 ° C / 40 ° F 0,99999 62,423
10 ° C / 50 ° F 0,99975 62,408
15,6 ° C / 60 ° F 0,99907 62,366
70 ° F / 21 ° C 0,99802 62,300
80 ° F / 26,7 ° C 0,99669 62,217
90 ° F / 32,2 ° C 0,99510 62.118
100 ° F / 37.8 ° С 0,99318 61,998
48,9 ° C / 120 ° F 0,98870 61,719
60 ° C / 140 ° F 0,98338 61,386
71,1 ° C / 160 ° F 0,97729 61.006
82,2 ° C / 180 ° F 0,97056 60,586
93,3 ° C / 200 ° F 0,96333 60,135
212 ° F / 100 ° C 0.95865 59,843

Источник: Министерство внутренних дел США, Бюро мелиорации, 1977, Руководство по грунтовым водам , из
Водная энциклопедия, третье издание, гидрологические данные и Интернет-ресурсы, под редакцией Педро Фиерро, младшего
и Эвана К. Найлер, 2007

Лед менее плотный, чем вода

Если вы посмотрите на это изображение, то увидите, что часть айсберга находится ниже уровня воды. Это не удивительно, но на самом деле почти весь объем айсберга находится ниже ватерлинии, а не над ней.Это связано с тем, что плотность льда меньше плотности жидкой воды. При замерзании плотность льда уменьшается примерно на 9 процентов.

Большая часть айсберга находится под поверхностью воды.

Лучший способ представить себе, как вода может иметь разную плотность, — это посмотреть на замерзшую форму воды. Лед на самом деле имеет совершенно другую структуру, чем жидкая вода, в том смысле, что молекулы выстраиваются в регулярную решетку, а не более хаотично, как в жидкой форме.Бывает, что структура решетки позволяет молекулам воды распределяться больше, чем в жидкости, и, таким образом, лед менее плотен, чем вода. И снова нам повезло: мы не услышали бы восхитительного звона кубиков льда о стенку стакана, если бы лед в нашем холодном чае опустился на дно. Плотность льда составляет около 90 процентов от плотности воды, но она может варьироваться, потому что лед также может содержать воздух. Это означает, что около 10 процентов кубика льда (или айсберга) будет выше ватерлинии.

Это свойство воды имеет решающее значение для всего живого на Земле.Поскольку вода с температурой около 4 ° C (39 ° F) более плотная, чем вода с температурой 32 ° F (0 ° C), в озерах и других водоемах более плотная вода опускается ниже менее плотной воды. Если бы вода была наиболее плотной в точке замерзания, то зимой очень холодная вода на поверхности озер тонула, озеро могло бы замерзнуть снизу вверх. И, учитывая, что вода является таким хорошим изолятором (из-за ее теплоемкости ), некоторые замерзшие озера летом могут не полностью оттаивать.

Реальное объяснение плотности воды на самом деле более сложно, поскольку плотность воды также зависит от количества растворенного в ней вещества.Вода в природе содержит минералы, газы, соли и даже пестициды и бактерии, некоторые из которых растворены. Чем больше вещества растворяется в галлоне воды, тем больше этот галлон будет весить больше и быть более плотным — океанская вода плотнее чистой воды.

Тяжелые кубики льда опускаются на дно стакана с водой, а обычные кубики плавают.

Кредит: Майк Уокер

Мы сказали, что лед плавает по воде, но как насчет «тяжелого льда»?

Мы уже говорили, что лед плавает по воде, потому что он менее плотный, но лед особого вида может быть плотнее, чем обычная вода.«Тяжелый лед» на 10,6% плотнее обычной воды, потому что он состоит из «тяжелой воды». Тяжелая вода, D 2 O вместо H 2 O, представляет собой воду, в которой оба атома водорода заменены дейтерием, изотопом водорода, содержащим один протон и один нейтрон. Тяжелая вода действительно тяжелее обычной воды (которая в природе содержит крошечное количество молекул тяжелой воды), а тяжелый лед тонет в обычной воде.

Измерение плотности

Ареометр используется для измерения плотности жидкости.

Прибор для измерения плотности жидкости называется ареометром. Это один из простейших измерительных приборов для научных исследований, и вы даже можете сделать его самостоятельно из пластиковой соломки (см. Ссылки ниже). Однако чаще всего он сделан из стекла и очень похож на градусник. Он состоит из цилиндрического стержня и утяжеленной луковицы внизу, чтобы он плавал вертикально. Ареометр осторожно опускают в измеряемую жидкость до тех пор, пока ареометр не будет свободно плавать. На устройстве есть вытравленные или отмеченные линии, чтобы пользователь мог видеть, насколько высоко или низко плывет ареометр.В менее плотных жидкостях ареометр будет плавать ниже, в то время как в более плотных жидкостях он будет плавать выше. Поскольку вода является «эталоном», по которому измеряются другие жидкости, отметка для воды, вероятно, обозначена как «1.000»; следовательно, удельный вес воды при температуре около 4 ° C составляет 1.000.

У гидрометров

есть много применений, не в последнюю очередь для измерения солености воды на уроках естествознания в школах. Они также используются в молочной промышленности для оценки жирности молока, поскольку молоко с более высоким содержанием жира будет менее плотным, чем молоко с низким содержанием жира.Ареометры часто используются людьми, которые делают пиво и вино в домашних условиях, так как они показывают, сколько сахара находится в жидкости, и позволяют пивовару узнать, как далеко продвинулся процесс брожения.

Сделайте свой ареометр:

Вы думаете, что хорошо разбираетесь в свойствах воды?
Пройдите нашу интерактивную викторину «» по свойствам воды (правда / ложь) и проверьте свои знания о воде.

Какова плотность воды? По температуре и единицам измерения

Какая плотность воды? Какая разница какая температура? Как определить плотность других предметов и жидкостей?

В этом руководстве мы объясняем плотность воды, предоставляем диаграмму, которую вы можете использовать для определения плотности воды при различных температурах, и объясняем три различных способа вычисления плотности.

Какова плотность воды?

Плотность — это масса единицы объема вещества. Плотность воды чаще всего дается как 1 г / см 3 , , но ниже плотность воды в различных единицах измерения.

Установка Плотность воды
Плотность воды г / см 3 1 г / см 3
Плотность воды г / мл 1 г / мл
Плотность воды кг / м 3 1000 кг / м 3
Плотность воды фунт / фут 3 62.4 фунта / фут 3

Не случайно вода имеет плотность 1. Плотность — это масса, деленная на объем (ρ = m / v), и вода использовалась в качестве основы для установления метрической единицы массы, что означает кубический сантиметр (1 см 3 ) воды весит один грамм (1 г).

Итак, 1 г / 1 см 3 = 1 г / см 3 , что придает воде легко запоминающуюся плотность. Однако точная плотность воды зависит как от давления воздуха, так и от температуры в помещении. Эти изменения плотности очень незначительны, поэтому, если вам не нужны очень точные вычисления или если эксперимент проводится в области с экстремальной температурой / давлением, вы можете продолжать использовать 1 г / см 3 для плотности воды. Вы можете посмотреть на диаграмму в следующем разделе, чтобы увидеть, как плотность воды изменяется с температурой.

Обратите внимание, что эти значения плотности воды действительны только для чистой воды. Соленая вода (как и океаны) имеет разную плотность, которая зависит от того, сколько соли растворено в воде.Плотность морской воды обычно немного выше плотности чистой воды, примерно 1,02 г / см от 3 до 1,03 г / см 3 .

Плотность воды при разных температурах

Ниже приведена диаграмма, показывающая плотность воды (в граммах / см 3 ) при различных температурах, от точки ниже точки замерзания (-22 ° F / -30 ° C) до ее точка кипения (212 ° F / 100 ° C).

Как вы можете видеть на диаграмме, вода имеет точную плотность только 1 г / см 3 при 39.2 ° F или 4,0 ° C. Когда вы опускаетесь ниже точки замерзания воды (32 ° F / 0 ° C), плотность воды уменьшается, потому что лед менее плотный, чем вода. Вот почему лед плавает над водой, и когда вы кладете кубики льда в стакан с водой, они не просто опускаются прямо на дно.

График также показывает, что для диапазона температур, типичных для внутренних научных лабораторий (от 50 ° F / 10 ° C до 70 ° F / 21 ° C), плотность воды очень близка к 1 г / см 3 , поэтому это значение используется во всех расчетах плотности, кроме самых точных.Только когда температура станет очень экстремальной в том или ином направлении (близкой к температуре замерзания или кипения), температура воды изменится настолько, что 1 г / см 3 больше не будет приемлемо точным.

Температура (° F / ° C) Плотность воды (грамм / см 3 )
-22 ° / -30 ° 0,98385
-4 ° / -20 ° 0,99355
14 ° / -10 ° 0.99817
32 ° / 0 ° 0,99987
39,2 ° / 4,0 ° 1,00000
40 ° / 4,4 ° 0,99999
50 ° / 10 ° 0,99975
60 ° / 15,6 ° 0,99907
70 ° / 21 ° 0,99802
80 ° / 26,7 ° 0,99669
90 ° / 32,2 ° 0,99510
100 ° / 37.8 ° 0,99318
120 ° / 48,9 ° 0,98870
140 ° / 60 ° 0,98338
160 ° / 71,1 ° 0,97729
180 ° / 82,2 ° 0,97056
200 ° / 93,3 ° 0,96333
212 ° / 100 ° 0,95865

Источник: USGS

Как рассчитать плотность вещества

Итак, знайте, что вы знаете, какова плотность воды при разных температурах, но что, если вы хотите найти плотность чего-то, что не является водой? На самом деле это довольно просто!

Плотность любого вещества можно найти, разделив его массу на его объем.Формула плотности: ρ = m / v , где плотность обозначается символом ρ (произносится как «ро»).

Существует три основных способа вычисления плотности, в зависимости от того, пытаетесь ли вы определить плотность объекта правильной формы, объекта неправильной формы или жидкости, а также от наличия каких-либо специальных инструментов, таких как ареометр.

Расчет плотности обычного объекта

Для обычных объектов (тех, чьи грани являются стандартными многоугольниками, такими как квадраты, прямоугольники, треугольники и т. Д.) вы можете довольно легко вычислить массу и объем. Масса объекта — это просто его вес, и у всех правильных многоугольников есть уравнение для определения их объема на основе их длины, ширины и высоты.

Например, у вас есть прямоугольный кусок алюминия весом 865 г и размерами 10 x 8 x 4 см. Сначала вы должны найти объем куска алюминия, умножив длину, ширину и высоту (что является уравнением для объема прямоугольника).

V = 10 см x 8 см x 4 см = 320 см 3

Затем вы разделите массу на объем, чтобы получить плотность (ρ = m / v).

865 г / 320 см 3 = 2,7 г / см 3

Таким образом, плотность алюминия составляет 2,7 г / см. 3 , и это верно для любого куска (чистого и твердого) алюминия, независимо от его размера.

Расчет плотности жидкости или объекта неправильной формы

Если объект имеет неправильную форму и вы не можете легко вычислить его объем, вы можете определить его объем, поместив его в градуированный цилиндр, наполненный водой, и измерив объем воды, который он вытесняет. Принцип Архимеда гласит, что объект вытесняет объем жидкости, равный его собственному объему. Как только вы найдете объем, вы должны использовать стандартное уравнение ρ = m / v.

Итак, если бы у вас был другой кусок алюминия неправильной формы, который весил 550 г и вытеснил 204 мл воды в градуированном цилиндре, тогда ваше уравнение было бы ρ = 550 г / 204 мл = 2,7 г / мл.

Если вещество, плотность которого вы пытаетесь определить, является жидкостью, вы можете просто налить жидкость в мерный цилиндр и посмотреть, каков его объем, а затем вычислить оттуда плотность.

Расчет плотности жидкости с помощью ареометра

Если вы пытаетесь рассчитать плотность жидкости, вы также можете сделать это с помощью прибора, известного как ареометр. Ареометр выглядит как термометр с большой грушей на одном конце, чтобы он плавал.

Чтобы использовать его, вы просто осторожно опустите ареометр в жидкость, пока ареометр не начнет плавать самостоятельно. Найдите, какая часть ареометра находится прямо у поверхности жидкости, и прочтите число на боковой стороне ареометра.Это будет плотность. Ареометры плавают ниже в менее плотных жидкостях и выше в более плотных жидкостях.

Резюме: какова плотность воды?

Плотность воды обычно округляется до 1 г / см 3 или 1000 кг / м 3 , , если вы не выполняете очень точные вычисления или не проводите эксперимент при экстремальных температурах. Плотность воды меняется в зависимости от температуры, поэтому, если вы проводите эксперимент, близкий к точке кипения или замерзания воды или превышающий ее, вам нужно будет использовать другое значение, чтобы учесть изменение плотности.И пар, и лед менее плотны, чем вода.

Уравнение плотности: ρ = m / v.

Чтобы измерить плотность вещества, вы можете рассчитать объем объекта правильной формы и, исходя из этого, измерить объем жидкости или то, сколько жидкости неправильный объект вытесняет в градуированном цилиндре, или использовать ареометр для измерения плотность жидкости.

Что дальше?

Теперь, когда вы знаете, почему плотность воды уникальна, но как насчет других ее характеристик? Узнайте, почему у воды особенная теплоемкость.

Ищете другие темы, связанные с физикой? Мы научим вас вычислять ускорение с помощью этих трех основных формул и дадим вам два простых примера закона сохранения массы.

Хотите узнать о самых быстрых и простых способах конвертации между градусами Фаренгейта и Цельсия? Мы вас прикрыли! Ознакомьтесь с нашим руководством по лучшим способам преобразования Цельсия в градусы Фаренгейта (или наоборот).

Вы изучаете облака в своем классе естественных наук? Получите помощь в определении различных типов облаков с помощью нашего экспертного руководства.

Пишете исследовательскую работу для школы, но не знаете, о чем писать? В нашем справочнике по темам исследовательских работ более 100 тем в десяти категориях, так что вы можете быть уверены, что найдете идеальную тему для себя.

3.2 Строение Земли — Введение в океанографию

В предыдущем разделе мы узнали, что материалы на ранней Земле сортировались в процессе дифференциации: более плотные материалы, такие как железо и никель, опускались к центру, а более легкие материалы (кислород, кремний, магний) оставались у поверхности.В результате Земля состоит из слоев разного состава и плотности, возрастающей по мере продвижения от поверхности к центру (рис. 3.2.1).

Рисунок 3.2.1. Внутренняя структура Земли (Автор Kelvinsong (собственная работа) [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia Commons).

Традиционный вид, основанный на химическом составе, распознает четыре отдельных слоя:

Внутреннее ядро ​​ находится в центре Земли и имеет толщину около 1200 км. Он состоит в основном из сплавов железа и никеля, примерно на 10% состоит из кислорода, серы или водорода.Температура во внутреннем ядре составляет около 6000 o C (10800 o F), что примерно соответствует температуре поверхности Солнца (в разделе 3.1 объясняются источники этого сильного тепла). Несмотря на высокую температуру, которая должна расплавить эти металлы, экстремальное давление (буквально от веса мира) удерживает внутреннее ядро ​​в твердой фазе. Твердые металлы также делают внутреннее ядро ​​очень плотным, около 17 г / см 3 , что дает внутреннему ядру около одной трети общей массы Земли.

Внешний сердечник находится вне внутреннего сердечника. Он имеет тот же состав, что и внутреннее ядро, но существует в виде жидкости, а не твердого тела. Температура 4000-6000 o C, а металлы остаются в жидком состоянии, потому что давление не такое большое, как во внутреннем ядре. Это движение жидкого железа во внешнем ядре, которое создает магнитное поле Земли (см. Раздел 4.2). Внешнее ядро ​​имеет толщину 2300 км и плотность 12 г / см 3 .

Мантия простирается от внешнего ядра до поверхности Земли. Его толщина 2900 км, и он составляет около 80% объема Земли. Мантия состоит из силикатов железа и магния и оксидов магния, поэтому она больше похожа на породы на поверхности Земли, чем на материалы ядра. Плотность мантии составляет 4,5 г / см 3 , а температура находится в диапазоне 1000-1500 o C. Самый верхний слой мантии более жесткий, в то время как более глубокие области являются жидкими, и это движение жидких материалов в мантии, ответственной за тектонику плит (см. раздел 4.3). Магма, которая поднимается на поверхность через вулканы, берет свое начало в мантии.

Самый внешний слой — это кора , которая образует твердую каменистую поверхность Земли. Толщина коры в среднем составляет 15-20 км, но в некоторых местах, например, под горами, кора может достигать толщины до 100 км. Есть два основных типа корочки; континентальная кора и океаническая кора , которые различаются по ряду причин. Континентальная кора толще океанической коры, в среднем 20-70 км по сравнению с 5-10 км для океанической коры.Континентальная кора менее плотная, чем океаническая (2,7 г / см 3 против 3 г / см 3 ), и она намного старше. Возраст самых старых горных пород в континентальной коре составляет около 4,4 миллиарда лет, в то время как возраст самой старой океанической коры составляет всего 180 миллионов лет. Наконец, два типа корки различаются по своему составу. Континентальная кора состоит в основном из гранита. Это связано с тем, что подземные или поверхностные магмы могут медленно остывать, что дает время для формирования кристаллических структур до того, как породы затвердеют, что приведет к образованию гранита.Океаническая кора в основном состоит из базальтов. Базальты также образуются из охлаждающих магм, но они охлаждаются в присутствии воды, что заставляет их остывать намного быстрее и не дает времени для образования кристаллов.

Основываясь на физических характеристиках, мы также можем разделить самые внешние слои Земли на литосферу и астеносферу . Литосфера состоит из коры и холодной твердой внешней 80-100 км мантии. Кора и внешняя мантия движутся вместе как единое целое, поэтому они объединяются в литосферу.Астеносфера лежит ниже литосферы, на глубине от примерно 100-200 км до примерно 670 км. Он включает более «пластичную» и более мягкую область мантии, где могут происходить жидкие движения. Таким образом, твердая литосфера плавает в жидкой астеносфере.

Изостази

Чтобы объяснить, как литосфера плавает в астеносфере, нам нужно изучить концепцию изостазии . Изостазия относится к способу плавания твердого тела в жидкости. Взаимосвязь между корой и мантией проиллюстрирована на рисунке 3.2.2. Справа — пример неизостатического отношения между плотом и твердым бетоном. Можно нагружать плот большим количеством людей, и он все равно не утонет в бетоне. Слева изостатическая связь между двумя разными плотами и бассейном, полным арахисового масла. С одним человеком на борту плот плывет высоко в арахисовом масле, но с тремя людьми он опускается опасно низко. Здесь мы используем арахисовое масло, а не воду, потому что его вязкость более точно отражает взаимосвязь между коркой и мантией.Хотя его плотность примерно такая же, как у воды, арахисовое масло гораздо более вязкое (жесткое), поэтому, хотя плот из трех человек будет погружаться в арахисовое масло, он будет делать это довольно медленно.

Рисунок 3.2.2. Демонстрация изостазии (Стивен Эрл, «Физическая геология»).

Отношение земной коры к мантии аналогично отношению плотов к арахисовому маслу. Плот с одним человеком плывет удобно высоко. Даже с тремя людьми на нем плот менее плотный, чем арахисовое масло, поэтому он плавает, но плывет неудобно для этих трех человек.Кора со средней плотностью около 2,6 грамма на кубический сантиметр (г / см 3 ) менее плотная, чем мантия (средняя плотность около 3,4 г / см 3 у поверхности, но больше, чем у поверхности. глубина), и поэтому он плавает на «пластиковой» мантии. Когда к коре добавляется больше веса в процессе горообразования, она медленно погружается все глубже в мантию, и мантийный материал, который там был, отодвигается (рис. 3.2.3, слева). Когда этот вес снимается за счет эрозии в течение десятков миллионов лет, кора отталкивается, и мантийная порода течет обратно (рис.2.3, справа).

Рис. 3.2.3. Изостатический отскок при удалении массы из коры (Стивен Эрл, «Физическая геология»).

Кора и мантия одинаково реагируют на оледенение. Толстые скопления ледникового льда добавляют вес коре, и по мере того, как нижележащая мантия сжимается в стороны, кора опускается. Когда лед в конце концов тает, кора и мантия будут медленно восстанавливаться, но полное восстановление, вероятно, займет более 10 000 лет. Большая часть Канады все еще восстанавливается в результате потери ледникового льда за последние 12000 лет, как показано на Рисунке 3.2.4, в других частях мира также наблюдается изостатический отскок. Наибольшая скорость подъема наблюдается на большой территории к западу от Гудзонова залива, где ледяной щит Лаурентиды был самым толстым (более 3000 м). Лед окончательно покинул этот регион около 8000 лет назад, и в настоящее время кора восстанавливается со скоростью почти 2 см / год.

Рисунок 3.2.4 Глобальные скорости изостатической корректировки (Стивен Эрл, «Физическая геология»).

Поскольку континентальная кора толще, чем кора океана, она будет плавать выше и проникать в мантию глубже, чем кора океана.Кора наиболее толстая там, где есть горы, поэтому Мохо будет глубже под горами, чем под океанической корой. Поскольку океаническая кора также более плотная, чем континентальная кора, она плавает ниже по мантии. Поскольку океаническая кора расположена ниже континентальной коры, и поскольку вода течет вниз, достигая самой нижней точки, это объясняет, почему вода накапливалась над океанической корой, образуя океаны.

Рис. 3.2.5 Более тонкая и плотная океаническая кора плавает ниже по мантии, чем более толстая и менее плотная континентальная кора (Стивен Эрл, «Физическая геология»).

* «Физическая геология» Стивена Эрла используется в соответствии с международной лицензией CC-BY 4.0. Загрузите эту книгу бесплатно по адресу http://open.bccampus.ca

.

2: Плотность жидкостей и твердых тел (эксперимент)

Объективы

  • Для определения плотности чистой воды;
  • Для определения плотности алюминия (применяя метод вытеснения воды) и использования этого значения для определения толщины куска алюминиевой фольги;
  • Для измерения массы и объема (посредством измеренных размеров) нескольких цилиндров из неизвестного материала и определения плотности этого материала посредством графического анализа собранных данных.

Плотность

Плотность определяется как масса на единицу объема вещества, и это физическое свойство вещества. Физическое свойство можно измерить без изменения химической идентичности вещества. Поскольку чистые вещества имеют уникальные значения плотности, измерение плотности вещества может помочь идентифицировать это вещество. Плотность определяется делением массы вещества на его объем:

\ [Density = \ frac {Mass} {Volume} \]

Единицы плотности обычно выражаются в г / см 3 для твердых тел, г ​​/ мл для жидкостей и г / л для газов.

Плотность — тоже интенсивное свойство материи. Это означает, что значение плотности не зависит от количества присутствующей материи. Например, плотность золотой монеты и золотой статуи одинакова, хотя золотая статуя состоит из большего количества золота. Это контрастирует с экстенсивными свойствами, такими как объем (количество пространства, занимаемого материей), которые зависят от количества присутствующей материи. Чем больше материи, тем больше объем.

В части A этой лаборатории будут измеряться масса и объем дистиллированной воды для определения плотности воды.Для повышения точности и точности измерения будут проводиться на трех образцах воды. Масса будет измеряться с помощью электронных весов в граммах (г), а объем будет измеряться непосредственно с помощью градуированного цилиндра в миллилитрах (мл). Напомним, что при измерении объемов жидкости градуированная шкала должна считываться от самой нижней точки криволинейной поверхности жидкости (мениска).

Затем точность экспериментально определенной плотности воды будет оцениваться путем сравнения с истинной принятой плотностью воды.

Измерение объема жидкости

Маркировка на градуированном цилиндре — каждые 1 миллилитр. При чтении от самой нижней точки мениска правильное значение составляет 30,0 мл. Первые 2 цифры 30 .0 известны точно. Последняя цифра 30. 0 не определена. Несмотря на то, что это ноль, это важно и должно быть записано.

В части B этой лаборатории плотность алюминия будет определяться с использованием алюминиевых гранул.Опять же, масса будет измеряться с помощью электронных весов в граммах (г). Однако, поскольку гранулы имеют неправильную форму, их объем необходимо измерять косвенно, используя метод вытеснения воды (также известный как принцип Архимеда). Это связано с тем, что объем воды, который вытесняется твердым телом при погружении в воду, равен объему самого твердого вещества. Точность этой экспериментально определенной плотности также будет оцениваться путем сравнения с истинной принятой плотностью алюминия.

Измерение объема твердого тела неправильной формы

\ [\ text {Объем вытесненной воды} = \ text {Окончательный объем} — \ text {Начальный объем} \]

\ [\ text {Объем вытесненной воды} = \ text {Объем твердого тела} \]

Обратите внимание, что 1 мл = 1 см 3 .

Затем плотность алюминия будет использоваться в прикладной задаче для определения толщины куска алюминиевой фольги. Используемый кусок фольги можно рассматривать как очень плоскую прямоугольную коробку, в которой

\ [\ text {Объем пленки} = длина \ умноженная на ширину \ умноженную на толщину \]

Объем фольги может быть получен из измеренной массы фольги и плотности алюминия.Таким образом, если измерить длину и ширину прямоугольника из фольги, то можно рассчитать толщину фольги.

Плотность и графический анализ

Лабораторные исследования включают сбор данных, часто числовых. Одним из распространенных методов интерпретации данных является графический анализ.

В части C этой лаборатории будут измерены масса и объем нескольких цилиндрических частей неизвестного твердого материала. И снова масса будет получена с помощью электронных весов в граммах (г).Но поскольку цилиндры представляют собой твердые тела правильной формы, их объемы (в кубических сантиметрах, см 3 ) будут рассчитаны на основе их измеренных размеров с использованием соответствующей формулы объема:

\ [\ text {Объем цилиндра} = 2 \ pi r h \]

\ [h = \ text {высота или длина цилиндра} \]

\ [r = \ text {радиус цилиндра} = \ frac {1} {2} \ text {диаметр} \]

Затем каждая пара значений массы и объема будет нанесена на миллиметровую бумагу в виде диаграммы разброса с массой, нанесенной на оси Y, и объемом, нанесенным на оси x .Поскольку нанесенные на график данные образуют (или, по крайней мере, приблизительно) прямую линию, к графику можно добавить «наиболее подходящую линию». Лучшая линия — это одна линия, которая максимально приближается ко всем нанесенным точкам.

Уравнение этой наиболее подходящей прямой будет иметь знакомую форму \ (y = mx + b \), где \ (m \) представляет наклон линии, а \ (b \) представляет собой точку пересечения y . . Это показано на рисунке ниже.

Уравнение наилучшего соответствия линии:

\ [y = mx + b \]

где

  • \ (b \) — точка пересечения по оси Y, а
  • \ (м \) — уклон

Пересечение y (\ (b \)) — это точка на оси Y, в которой линия пересекает ось.В этом эксперименте значение \ (b \) должно быть равно нулю. Это связано с тем, что при отсутствии массы объем также должен быть равен нулю. Однако обратите внимание, что ваша наиболее подходящая линия может не проходить точно через начало координат (0,0) из-за экспериментальной ошибки, но она должна быть довольно близкой.

Наклон линии (\ (m \)) — это изменение значений по оси Y, деленное на изменение значений по оси X (или превышение пробега):

\ [\ begin {align *} m & = \ frac {\ Delta y} {\ Delta x} \\ [5pt] & = \ frac {y_1 — y_2} {x_1 − x_2} \ end {align *} \ ]

Поскольку \ (\ Delta y \) на самом деле является изменением массы (\ (\ Delta \ text {mass} \)), а \ (\ Delta x \) на самом деле является изменением объема (\ (\ Delta \ text {volume} \)), это означает, что наклон наиболее подходящей линии дает плотность неизвестного материала:

\ [m = \ frac {\ Delta y} {\ Delta x} = \ frac {\ Delta \ text {mass}} {\ Delta \ text {volume}} = \ text {density} \]

Как только плотность будет определена таким образом, она будет использоваться для идентификации неизвестного проанализированного материала.

Процедура

Материалы и оборудование

Градуированный цилиндр на 100 мл, метрическая линейка *, алюминиевые гранулы, небольшой стакан, алюминиевая фольга, термометр, электронные весы, дистиллированная вода, пробирка с твердыми цилиндрами неизвестного происхождения * и миллиметровая бумага.

Безопасность

Будьте особенно осторожны при добавлении алюминия в мерный цилиндр, так как стекло может разбиться. Наклоните градуированный цилиндр и позвольте гранулам осторожно соскользнуть на дно.

Часть A: Плотность воды

  1. С помощью электронных весов определите массу своего градуированного цилиндра объемом 100 мл. Перед взвешиванием убедитесь, что он сухой.
  2. Добавьте 20-25 мл дистиллированной воды в мерный цилиндр. Точно отмерьте этот объем воды. Затем измерьте общую массу с помощью электронных весов.
  3. Добавьте еще 20-25 мл дистиллированной воды в мерный цилиндр. Опять же, точно измерьте этот объем воды, а затем измерьте общую массу с помощью электронных весов.
  4. Повторите шаг 3, чтобы получить третий набор измерений массы и объема.
  5. С помощью термометра запишите температуру воды в мерном цилиндре.
  6. Анализ: Вычтите массу пустого цилиндра из каждого комбинированного измерения массы, чтобы получить три измерения массы воды. Используйте три набора измерений массы и объема, чтобы вычислить три значения плотности воды. Затем возьмите среднее из этих трех значений плотности.Наконец, найдите истинную плотность воды при используемой температуре и оцените точность вашего среднего значения плотности, вычислив процентную ошибку.

Часть B: Плотность алюминия и толщина фольги

Плотность алюминия

  1. С помощью электронных весов определите массу чистой сухой небольшой мензурки.
  2. Возьмите у своего инструктора образец алюминия. Перенесите все гранулы в стакан и измерьте массу стакана и гранул.
  3. Налейте 30–35 мл воды в мерный цилиндр емкостью 100 мл. Точно измерьте этот объем.
  4. Осторожно добавьте все алюминиевые гранулы в воду, следя за тем, чтобы не потерять воду из-за брызг. Также убедитесь, что все гранулы полностью погружены в воду. Измерьте новый объем воды и гранул.
  5. Когда закончите, извлеките и высушите алюминиевые гранулы и верните их своему инструктору.
  6. Анализ: Используйте измеренные вами массу и объем (полученные путем вытеснения водой) алюминиевых гранул для расчета плотности алюминия.Затем найдите истинную плотность алюминия и оцените свою точность, вычислив процентную погрешность.

Толщина алюминиевой фольги

  1. Теперь возьмите у своего инструктора кусок алюминиевой фольги прямоугольной формы. С помощью линейки измерьте длину и ширину куска фольги.
  2. Измерьте массу фольги с помощью электронных весов.
  3. Когда закончите, верните фольгу своему инструктору и линейку на склад.
  4. Анализ: Используйте эти измерения вместе с плотностью алюминия, чтобы рассчитать толщину фольги.

Часть C: Графический анализ данных массы и объема неизвестного твердого тела

  1. Возьмите линейку на складе и возьмите у своего инструктора трубку, содержащую цилиндрические кусочки неизвестного твердого материала. Запишите идентификационный код неизвестного твердого тела в форму отчета.
  2. Используя линейку, измерьте размеры (диаметр и высоту) каждого цилиндрического объекта.Сначала начните с самого маленького объекта и продолжайте в порядке увеличения размера объекта.
  3. Измерьте массу каждого цилиндрического объекта с помощью электронных весов. Опять же, сначала начните с самого маленького объекта и продолжайте в порядке увеличения размера объекта.
  4. Замените все предметы в трубке и верните трубку инструктору.
  5. Анализ: Используйте измеренные размеры для вычисления объема каждого твердого объекта. Затем на миллиметровой бумаге изобразите зависимость массы (Y) от объема (X) каждого измеряемого объекта.Добавьте к этому графику наиболее подходящую линию. Вычислите наклон этой линии, который представляет собой плотность неизвестного твердого тела. Затем используйте эту плотность, чтобы идентифицировать неизвестный проанализированный материал. Ваш неизвестный материал является одним из веществ, перечисленных в таблице ниже.

Вещество

Плотность (г / см 3 )

Поливинилхлорид (ПВХ)

1.35

Клен

0,77

Акрил

1,16

Политетрафторэтилен (тефлон)

2,20

Полипропилен

0.90

Алюминий

2,71

Полиуретан

1,23

Предлабораторное задание: плотность твердых тел и жидкостей

  1. Обведите правильные ответы в следующем утверждении:

Плотность — это физическое / химическое свойство материи и интенсивное / экстенсивное свойство материи.

  1. Какие устройства вы будете использовать для измерения массы и объема воды в Части A этой лаборатории?
  1. В части B этой лабораторной работы вы выполните несколько измерений, чтобы определить плотность металла.
  • Назовите этот металл:
  • Опишите технику, которую вы будете использовать для измерения объема этого металла.
  1. Рассмотрим табличные данные, собранные студентом для неизвестного образца металла. Используйте эти данные для расчета плотности металла (в г / см 3 ).Четко покажите свою работу.

Масса пустого стакана

44,656 г

Масса стакана и металлического образца

124 400 г

Начальный объем воды в цилиндре

12.7 мл

Конечный объем воды и образца металла

21,6 мл

  1. В части C этой лабораторной работы вы будете измерять массу, высоту и диаметр четырех цилиндров, состоящих из неизвестного материала.
  • Вычислите объем (в см 3 ) цилиндра с измеренной высотой 11.76 см и диаметром 7,22 см. Четко покажите свою работу.
  • Каждая пара значений массы и объема (для каждого цилиндра) будет нанесена на диаграмму рассеяния с массой на оси y и объемом на оси x. Затем к нанесенным на график данным будет применена наиболее подходящая линия.
    • Как вы рассчитаете значение наклона этой наиболее подходящей линии?
  • Как значение наклона поможет вам определить неизвестный материал, из которого сделаны цилиндры?

Лабораторный отчет: плотность жидкостей и твердых тел

Часть A: Плотность воды

Экспериментальные данные

1-я добавка воды

2-я добавка воды

3-я добавка воды

Масса пустого баллона

Масса цилиндра + вода

Только масса воды

Объем воды

Плотность воды

Средняя плотность воды

Температура воды: ______________

Анализ данных

  1. Найдите истинную плотность воды при зарегистрированной температуре: _____________
  • Получите это значение от Юпитера.plymouth.edu/~jsdunca…ityOfWater-vs- Temp.pdf. Затем используйте это, чтобы вычислить процентную ошибку в вашей средней плотности воды. Показать свою работу.

Часть B: Плотность алюминия и толщина фольги

Экспериментальные данные

Таблица 1 — Плотность алюминия

Масса пустого стакана

Масса стакана и гранул алюминия

Масса алюминиевых окатышей

Начальный объем воды в цилиндре

Конечный объем воды и алюминиевых гранул

Объем алюминиевых окатышей

Таблица 2 — Толщина алюминиевой фольги

Масса алюминиевой фольги

Длина алюминиевой фольги

Ширина алюминиевой фольги

Анализ данных

  1. Используйте измеренные вами массу и объем гранул (в таблице 1), чтобы рассчитать плотность алюминия в г / см 3 .Покажите свою работу и сообщите свой ответ с правильным количеством значащих цифр.
  1. Узнайте истинную плотность алюминия на http://www.chemicool.com: _______________
  • Используйте это, чтобы вычислить процент ошибки в экспериментально определенном значении плотности. Показать свою работу.
  1. Используйте свои измерения для алюминиевой фольги (в таблице 2) вместе с истинной плотностью алюминия , чтобы рассчитать толщину фольги в см.Покажите свою работу и сообщите свой ответ в научных обозначениях. Считайте фольгу очень плоской прямоугольной коробкой, где: \ (\ text {Объем фольги} = длина \ умноженная на ширину \ умноженную на толщину \)

Часть C: Графический анализ данных массы и объема неизвестного твердого тела

Экспериментальные данные

Идентификационный код неизвестного твердого вещества:

Малый цилиндр

Средний цилиндр

Большой цилиндр

EX Большой цилиндр

Масса

Длина

Диаметр

Расчетный объем

Покажите пример расчета объема с использованием ваших измеренных размеров для небольшого цилиндра ниже.

Анализ данных

  1. На миллиметровой бумаге нанесите график зависимости массы (Y) от объема (X) для всех четырех измеренных цилиндров. Прикрепите свой график к этой форме отчета.

Инструкции для графических данных

  • Используйте заточенный карандаш.
  • Нарисуйте топоры линейкой.
  • Выберите шкалы осей, которые используют весь лист миллиметровой бумаги.
  • Пронумеруйте и промаркируйте свои топоры.
  • Используйте символы «X» для каждой точки на графике.
  • С помощью линейки проведите через точки данных наиболее подходящую прямую линию.
  • Дайте вашему графику подходящее название.
  1. Выберите две точки на наиболее подходящей линии, далеко друг от друга. Выбранные точки не могут быть ни одной из нанесенных вами точек данных. Обведите две точки , выбранные на вашем графике, и заполните таблицу ниже.

X Значение

Значение Y

Пункт 1

Пункт 2

Теперь вычислите наклон (\ (m \)) наиболее подходящей линии, используя уравнение: \ (m = \ frac {y_2-y_1} {x_2-x_1} \).Покажите свою работу и сообщите результат с правильным количеством значащих цифр.

  1. Значение наклона, полученное выше в # 2, дает плотность вашего неизвестного твердого тела в единицах г / см 3 . Используя это значение, определите ваше неизвестное твердое тело (см. Процедуру, Часть C, # 5).
  • Неизвестный идентификационный код:
  • Имя неизвестно:
  • Истинная плотность:
  1. Вам предоставляется другой цилиндр из того же материала.Если длина цилиндра составляет 1,83 фута, вычислите массу этого цилиндра в граммах. Используйте в этом расчете истинную плотность твердого тела и предположите, что диаметр цилиндра такой же, как у всех других цилиндров, которые вы измерили. Показать свою работу.
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *