Densidad física. Determinación de densidad

Instrucciones

Conociendo los dos valores anteriores, puede escribir la fórmula para calcular la densidad sustancias: densidad = masa / volumen, de ahí que se obtenga el valor deseado. Ejemplo. Se sabe que un témpano de hielo con un volumen de 2 metros cúbicos pesa 1800 kg. Calcula la densidad del hielo. Solución: la densidad es 1800 kg / 2 metros cúbicos, resulta 900 kg divididos por cúbicos. A veces tienes que convertir unidades de densidad entre sí. Para no confundirse, debe recordarse: 1 g / cm cúbico es igual a 1000 kg / metro cúbico. Ejemplo: 5,6 g / cm cúbico equivale a 5,6 * 1000 = 5600 kg / metro cúbico.

El agua, como cualquier líquido, no siempre se puede pesar en una balanza. Pero aprende la masa a veces es necesario tanto en algunas industrias como en situaciones cotidianas, desde el cálculo de los tanques hasta la resolución de la cuestión de qué existencias agua puede llevarlo en un kayak o bote de goma. Para calcular la masa agua o cualquier líquido colocado en un volumen particular, en primer lugar es necesario conocer su densidad.

Necesitará

Platos volumétricos
Regla, cinta métrica o cualquier otro dispositivo de medición
Vaso de transfusión de agua

Instrucciones

Si necesita calcular la masa agua en un recipiente pequeño, esto se puede hacer con un equilibrio normal. Pesar el recipiente junto con el primero. Luego vierte el agua en otro recipiente. Luego pese el recipiente vacío. Restar de un recipiente lleno la masa vacío. Esto estará contenido en el recipiente agua... Así que puedes la masa no solo líquidos, sino también fluidos, si es posible verterlos en otros platos. Este método a veces todavía se puede observar en algunas tiendas donde no hay equipo. El vendedor primero pesa una lata o botella vacía, luego la llena con crema agria, la pesa nuevamente, determina el peso de la crema agria y solo entonces calcula su valor.

Para determinar la masa agua en un recipiente que no se puede pesar, es necesario conocer dos parámetros: agua(o cualquier otro líquido) y el volumen del recipiente. Densidad agua es 1 g / ml. La densidad de otro líquido se puede encontrar en una tabla especial, que generalmente se encuentra en los libros de referencia.

Si no hay un recipiente medidor para verter agua, calcule el volumen del recipiente en el que se encuentra. El volumen siempre es igual al producto del área de la base por la altura y, por lo general, no hay problemas con los recipientes de forma estable. Volumen agua en una jarra será igual al área de una base redonda a una altura llena de agua. ¿Multiplicando la densidad? por volumen agua V, obtienes la masa agua m: m =? * V.

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Nota

También puedes determinar la masa conociendo la cantidad de agua y su masa molar. La masa molar del agua es 18, ya que está formada por las masas molares de 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno. MH2O = 2MH + MO = 21 + 16 = 18 (g / mol). m = n * M, donde m es la masa de agua, n es la cantidad, M es la masa molar.

Todas las sustancias tienen cierta densidad. La densidad se calcula en función del volumen ocupado y la masa objetivo. Se encuentra sobre la base de datos experimentales y transformaciones numéricas. Además, la densidad depende de muchos factores diferentes, por lo que cambia su valor constante.

Instrucciones

Imagina que te dan un recipiente lleno de agua hasta el borde. En el problema, es necesario encontrar la densidad del agua, sin saber ni la masa ni el volumen. Para calcular la densidad, ambos parámetros deben encontrarse experimentalmente. Empiece por determinar la masa.
Toma el recipiente y colócalo en la balanza. Luego vierta el agua y luego vuelva a colocar el recipiente en la misma balanza. Compare los resultados de la medición y obtenga la fórmula para encontrar la masa de agua:
mb.- mw. = mv., donde mob. es la masa del recipiente con agua (masa total), mс es la masa del recipiente sin agua.
Lo segundo que necesitas encontrar es agua. Vierta agua en un recipiente medidor, luego use la escala para determinar el volumen de agua contenido en el recipiente. Solo después de eso, usando la fórmula, encuentre la densidad del agua:
ρ = m / V
Este experimento solo puede determinar aproximadamente la densidad del agua. Sin embargo, bajo la influencia de algunos factores, puede hacerlo. Vea el más importante de estos factores.

A una temperatura del agua t = 4 ° C, el agua tiene una densidad ρ = 1000 kg / m ^ 3 o 1 g / cm ^ 3. Con un cambio, la densidad también cambia. Además, a los factores que afectan la densidad

Todo lo que nos rodea está compuesto por diferentes sustancias. Los barcos y los baños son de madera, las planchas y catres son de hierro, los neumáticos con ruedas y los borradores de lápiz son de goma. Y los diferentes objetos tienen diferentes pesos: cualquiera de nosotros traerá un melón maduro jugoso del mercado sin ningún problema, pero tendrá que sudar por una pesa rusa del mismo tamaño.

Todos recuerdan el famoso chiste: “¿Qué es más difícil? ¿Un kilogramo de clavos o un kilogramo de pelusa? " Ya no vamos a caer en este truco infantil, sabemos que el peso de ambos será el mismo, pero el volumen será sensiblemente diferente. Entonces, ¿por qué está pasando esto? ¿Por qué diferentes cuerpos y sustancias tienen diferentes pesos con el mismo tamaño? O, por el contrario, ¿el mismo peso para diferentes tamaños? Obviamente, hay una característica por la cual las sustancias son tan diferentes entre sí. En física, esta característica se llama densidad de la materia y se aprueba en séptimo grado.

Densidad de una sustancia: definición y fórmula.

La definición de la densidad de una sustancia es la siguiente: la densidad muestra a qué es igual la masa de una sustancia en una unidad de volumen, por ejemplo, en un metro cúbico. Entonces, la densidad del agua es de 1000 kg / m3 y la densidad del hielo es de 900 kg / m3, por lo que el hielo es más liviano y se encuentra en la parte superior en invierno en los cuerpos de agua. Es decir, ¿qué nos muestra la densidad de la materia en este caso? Una densidad de hielo de 900 kg / m3 significa que un cubo de hielo con lados de 1 metro pesa 900 kg. Y la fórmula para determinar la densidad de una sustancia es la siguiente: densidad = masa / volumen. Las cantidades incluidas en esta expresión se designan de la siguiente manera: masa - m, volumen del cuerpo -V, y la densidad se indica con la letra ρ (letra griega "ro"). Y la fórmula se puede escribir de la siguiente manera:

Cómo encontrar la densidad de una sustancia

¿Cómo encontrar o calcular la densidad de una sustancia? Para hacer esto, necesita conocer el volumen corporal y el peso corporal. Es decir, medimos la sustancia, la pesamos y luego simplemente sustituimos los datos obtenidos en la fórmula y encontramos el valor que necesitamos. Y en qué se mide la densidad de una sustancia se desprende de la fórmula. Se mide en kilogramos por metro cúbico. A veces también usan un valor como un gramo por centímetro cúbico. Es muy fácil convertir un valor en otro. 1 g = 0,001 kg y 1 cm3 = 0,000001 m3. En consecuencia, 1 g / (cm) ^ 3 = 1000 kg / m ^ 3. También debe recordarse que la densidad de una sustancia es diferente en diferentes estados de agregación. Es decir, en estado sólido, líquido o gaseoso. La densidad de los sólidos, con mayor frecuencia, es más alta que la densidad de los líquidos y mucho más alta que la densidad de los gases. Quizás una excepción muy útil para nosotros es el agua, que, como ya hemos considerado, pesa menos en estado sólido que en estado líquido. Es por esta extraña característica del agua que la vida es posible en la Tierra. Se sabe que la vida en nuestro planeta se originó en los océanos. Y si el agua se comportara como todas las demás sustancias, entonces el agua de los mares y océanos se congelaría por completo, el hielo, al ser más pesado que el agua, se hundiría hasta el fondo y quedaría allí sin derretirse. Y solo en el ecuador, en una pequeña columna de agua, existiría vida en forma de varios tipos de bacterias. Entonces podemos agradecerle al agua por el hecho de que existimos.

Figura 1. Tabla de densidades de algunas sustancias. Author24 - intercambio en línea de trabajos de estudiantes

Todos los cuerpos del mundo que nos rodea tienen diferentes tamaños y volúmenes. Pero incluso con los mismos datos volumétricos, la masa de sustancias diferirá significativamente. En física, este fenómeno se llama densidad de materia.

La densidad es un concepto físico básico que da una idea de las características de cualquier sustancia conocida.

Definición 1

La densidad de una sustancia es una cantidad física que muestra la masa de una determinada sustancia por unidad de volumen.

Las unidades de volumen en términos de densidad de una sustancia suelen ser metros cúbicos o centímetros cúbicos. La determinación de la densidad de una sustancia se lleva a cabo con equipos e instrumentos especiales.

Para determinar la densidad de una sustancia, es necesario dividir su masa corporal por su propio volumen. Al calcular la densidad de una sustancia, se utilizan los siguientes valores:

peso corporal ($ m $); volumen corporal ($ V $); densidad corporal ($ ρ $)

Observación 1

$ ρ $ es la letra del alfabeto griego "ro" y no debe confundirse con la designación similar de presión: $ p $ ("pe").

La fórmula de la densidad de la materia.

La densidad de una sustancia se calcula utilizando el sistema de medición SI. En él, las unidades de densidad se expresan en kilogramos por metro cúbico o gramos por centímetro cúbico. También se puede utilizar cualquier sistema de medición.

Una sustancia tiene diferentes grados de densidad si se encuentra en diferentes estados de agregación. En otras palabras, la densidad de una sustancia en estado sólido será diferente a la densidad de la misma sustancia en estado líquido o gaseoso. Por ejemplo, el agua tiene una densidad de 1000 kilogramos por metro cúbico en un estado líquido ordinario. En estado congelado, el agua (hielo) tendrá una densidad de 900 kilogramos por metro cúbico. El vapor de agua a presión atmosférica normal y temperaturas cercanas a cero grados tendrá una densidad de 590 kilogramos por metro cúbico.

La fórmula estándar para la densidad de una sustancia es la siguiente:

Además de la fórmula estándar, que solo se usa para sólidos, existe una fórmula para gas en condiciones normales:

$ ρ = M / Vm $, donde:

$ M $ - masa molar de gas,
$ Vm $ - volumen molar de gas.

Hay dos tipos de sólidos:

poroso;
fluye libremente.

Observación 2

Sus características físicas afectan directamente la densidad de una sustancia.

Densidad de cuerpos homogéneos.

Definición 2

La densidad de cuerpos homogéneos es la relación entre la masa corporal y su volumen.

El concepto de densidad de una sustancia incluye la definición de la densidad de un cuerpo homogéneo y uniformemente distribuido con una estructura no homogénea, que consiste en esta sustancia. Este es un valor constante y para una mejor comprensión de la información, se forman tablas especiales, donde se recopilan todas las sustancias comunes. Los valores de cada sustancia se dividen en tres componentes:

densidad de cuerpos sólidos;
la densidad del cuerpo en estado líquido;
la densidad de un cuerpo en estado gaseoso.

El agua es una sustancia bastante homogénea. Algunas sustancias no son tan homogéneas, por lo tanto, se determina la densidad media del cuerpo para ellas. Para derivar este valor, es necesario conocer el resultado de la sustancia ρ para cada componente por separado. Los cuerpos sueltos y porosos tienen densidad real. Se define sin tener en cuenta los vacíos en su estructura. La gravedad específica se puede calcular dividiendo la masa de una sustancia por el volumen total que ocupa.

Dichos valores están relacionados entre sí por el coeficiente de porosidad. Representa la relación entre el volumen de vacíos y el volumen total del cuerpo, que actualmente se está investigando.

La densidad de las sustancias depende de muchos factores adicionales. Varios de ellos aumentan simultáneamente este valor para algunas sustancias y lo disminuyen para otras. A bajas temperaturas, la densidad de la sustancia aumenta. Algunas sustancias pueden responder a los cambios de temperatura de diferentes formas. En este caso, se suele decir que la densidad a un determinado rango de temperatura se comporta de forma anómala. Tales sustancias incluyen a menudo bronce, agua, hierro fundido y algunas otras aleaciones. La densidad del agua es máxima a 4 grados Celsius. Con más calentamiento o enfriamiento, este indicador también puede cambiar significativamente.

Las metamorfosis con la densidad del agua ocurren durante la transición de un estado de agregación a otro. En estos casos, el exponente ρ cambia sus valores de manera abrupta. Aumenta progresivamente durante la transición a líquido desde un estado gaseoso, así como en el momento de la cristalización del líquido.

Hay, y muchos, casos excepcionales. Por ejemplo, el silicio tiene valores de densidad bajos durante la solidificación.

Medida de la densidad de una sustancia.

Por lo general, se utiliza equipo especial para medir eficazmente la densidad de una sustancia. Consiste en:

escamas;
dispositivo de medición en forma de regla;
matraz volumétrico.

Si la sustancia problema está en estado sólido, entonces se utiliza una medida en forma de un centímetro como dispositivo de medición. Si la sustancia problema se encuentra en estado líquido de agregación, se utiliza un matraz aforado para las mediciones.

Primero, debes medir el volumen del cuerpo usando un centímetro o matraz aforado. El investigador observa la escala de medición y registra el resultado. Si se examina un bloque de madera de forma cúbica, la densidad será igual al valor del lado, elevado a la tercera potencia. Al examinar un líquido, es necesario tener en cuenta adicionalmente la masa del recipiente con el que se realizan las mediciones. Los valores obtenidos deben sustituirse en la fórmula universal para la densidad de la sustancia y debe calcularse el indicador.

Para los gases, el cálculo del indicador es muy difícil, ya que es necesario utilizar varios instrumentos de medición.

Normalmente, se utiliza un hidrómetro para calcular la densidad de sustancias. Está diseñado para obtener resultados en líquidos. La densidad real se estudia con un picnómetro. Los suelos se examinan con las sembradoras Kaczynski y Seidelman.

En muchas ramas de la producción industrial, así como en la construcción y la agricultura, se utiliza el concepto de "densidad de material". Este es un valor calculado, que es la relación entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa. Al conocer este parámetro, por ejemplo, para el concreto, los constructores pueden calcular la cantidad requerida al verter varias estructuras de concreto reforzado: bloques de construcción, pisos, paredes monolíticas, columnas, sarcófagos protectores, piscinas, cerraduras y otros objetos.

Cómo determinar la densidad

Es importante tener en cuenta que al determinar la densidad de los materiales de construcción, se pueden usar tablas de referencia especiales, donde estos valores se dan para varias sustancias. También se han desarrollado métodos y algoritmos de cálculo que permiten obtener dichos datos en la práctica si no se tiene acceso a materiales de referencia.

La densidad está determinada por:

cuerpos líquidos con un hidrómetro (por ejemplo, el conocido proceso de medir los parámetros de electrolitos de una batería de automóvil);
Sustancias sólidas y líquidas que utilizan una fórmula con datos iniciales conocidos de masa y volumen.

Todos los cálculos independientes, por supuesto, tendrán inexactitudes, porque es difícil determinar de manera confiable el volumen si el cuerpo tiene una forma irregular.

Errores de medición de densidad

El error es sistemático. Aparece constantemente o puede cambiar de acuerdo con una determinada ley en el curso de varias mediciones del mismo parámetro. Está asociado con el error de la escala del instrumento, la baja sensibilidad del dispositivo o el grado de precisión de las fórmulas de cálculo. Entonces, por ejemplo, al determinar el peso corporal usando pesos e ignorando el efecto de la fuerza de flotabilidad, los datos son aproximados.
El error es aleatorio. Es causado por razones entrantes y tiene un efecto diferente sobre la confiabilidad de los datos que se determinan. Los cambios en la temperatura ambiente, la presión atmosférica, las vibraciones de la habitación, la radiación invisible y las vibraciones del aire se reflejan en las mediciones. Es completamente imposible evitar tal influencia.

Error de redondeo. Al recibir datos intermedios en el cálculo de fórmulas, los números suelen tener muchos dígitos significativos después del punto decimal. La necesidad de limitar el número de estos signos también presupone la aparición de un error. Esta inexactitud se puede reducir parcialmente dejando en cálculos intermedios varios órdenes de magnitud más de lo que requiere el resultado final.
Los errores de negligencia (deslizamientos) surgen debido a cálculos erróneos, inclusión incorrecta de los límites de medición o del dispositivo en su conjunto, ilegibilidad de los registros de control. Los datos obtenidos de esta manera pueden diferir considerablemente de cálculos similares. Por lo tanto, deben eliminarse y el trabajo debe hacerse de nuevo.

Midiendo la densidad verdadera

Teniendo en cuenta la densidad del material de construcción, debe tener en cuenta su verdadero indicador. Es decir, cuando la estructura de una sustancia de una unidad de volumen no contiene conchas, huecos e inclusiones extrañas. En la práctica, no existe una uniformidad absoluta cuando, por ejemplo, se vierte hormigón en un molde. Para determinar su resistencia real, que depende directamente de la densidad del material, se realizan las siguientes operaciones:

La estructura se muele a un estado de polvo. En esta etapa, se eliminan los poros.
Se seca a una temperatura superior a 100 grados, la humedad restante se elimina de la muestra.
Enfriar a temperatura ambiente y pasar por un tamiz fino con un tamaño de malla de 0,20 x 0,20 mm, impartiendo uniformidad al polvo.
La muestra obtenida se pesa en una balanza electrónica de alta precisión. El volumen se calcula en un medidor volumétrico mediante inmersión en una estructura líquida y medición del líquido desplazado (análisis picnométrico).

El cálculo se realiza según la fórmula:

donde m es la masa de la muestra en g;

V es el volumen en cm 3.

A menudo es aplicable la medición de la densidad en kg / m 3.

Densidad media del material

Para determinar cómo se comportan los materiales de construcción en condiciones reales de operación bajo la influencia de la humedad, temperaturas positivas y negativas, cargas mecánicas, debe usar la densidad promedio. Caracteriza el estado físico de los materiales.

Si la densidad real es un valor constante y depende solo de la composición química y la estructura de la red cristalina de la sustancia, entonces la densidad promedio está determinada por la porosidad de la estructura. Es la relación entre la masa de un material en estado homogéneo y el volumen de espacio ocupado en condiciones naturales.

La densidad promedio le da al ingeniero una idea de la resistencia mecánica, la absorción de humedad, la conductividad térmica y otros factores importantes utilizados en la construcción de los elementos.

Concepto de densidad aparente

Se introducen para el análisis de materiales de construcción a granel (arena, grava, arcilla expandida, etc.). El indicador es importante para calcular el uso rentable de ciertos componentes de la mezcla de construcción. Muestra la relación entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa en el estado de una estructura suelta.

Por ejemplo, si conoce el material de la forma granular y la densidad promedio de los granos, entonces es fácil determinar el parámetro de vacío. En la fabricación de hormigón, es más conveniente utilizar un relleno (grava, piedra triturada, arena), que tiene una menor porosidad de materia seca, ya que el material de cemento base irá a rellenarlo, lo que aumentará el costo.

Indicadores de densidad de algunos materiales.

Si tomamos los datos calculados de algunas tablas, entonces en ellas:

Los materiales, que contienen óxidos de calcio, silicio y aluminio, varían de 2400 a 3100 kg por m 3.
Especies de madera con una base de celulosa - 1550 kg por m 3.
Orgánicos (carbono, oxígeno, hidrógeno) - 800-1400 kg por m 3.
Metales: acero - 7850, aluminio - 2700, plomo - 11300 kg por m 3.

Con las tecnologías modernas de construcción de edificios, el indicador de densidad del material es importante desde el punto de vista de la resistencia de las estructuras de soporte. Todas las funciones de aislamiento térmico y de humedad se realizan con materiales de baja densidad con una estructura de celda cerrada.

Todas las propiedades constructivas y operativas de los materiales de construcción se pueden dividir en varios grupos. Vamos a enumerarlos:

propiedades físicas;
termofísico;
hidrofísico
químico;
mecánico.

Hablemos primero de cuáles son las propiedades físicas básicas de los materiales.

Una de las propiedades físicas más importantes es, por supuesto, la densidad, que es verdadera y media.

La densidad verdadera se define como la relación entre la masa de un material absolutamente denso (es decir, un material en el que no hay vacíos normalmente presentes en su estado natural normal) a su volumen. Cálculo de densidad de material(estamos hablando, por supuesto, de la densidad real) se produce según la siguiente fórmula:

Donde m es la masa del material (medida en gramos), Vа es su volumen en un estado absolutamente denso (medido en cm3) y ρ es la densidad verdadera (medida en g / cm3).

El valor de densidad real muestra cuánto es pesada o liviana la sustancia subyacente al material. Vale la pena señalar que el cálculo de la densidad del material en esta versión es solo de naturaleza auxiliar, para determinarlo, utilizan un dispositivo especial- un medidor volumétrico (su otro nombre es dispositivo de Le Chatelier). Se trata, en efecto, de una probeta, en la que se vierte agua o cualquier otro líquido que no entre en reacción química con el material analizado. Funciona así: en el proceso de investigación, el material se tritura mucho, luego se pesa y luego se vierte en el dispositivo, mientras se reciben datos sobre su volumen debido al líquido desplazado. Y luego, de acuerdo con la fórmula anterior, la densidad del material se calcula directamente.

La densidad real de los materiales de construcción puede variar significativamente: por ejemplo, para el acero es igual a 7,85 g / cm3, para el granito - 2,9 g / cm3, para la madera - 1,6 g / cm3 (este valor es promedio y depende del material utilizado ) ...

El segundo tipo de densidad (densidad promedio de los materiales de construcción) es la masa de una unidad de volumen de material en su forma natural (es decir, junto con los huecos, poros y grietas).

¿Cómo se reconoce la densidad media? La fórmula para su definición es la siguiente:

donde ρm es la densidad promedio, m es la masa del material, Ve es el volumen del material en su forma natural.

El volumen del material se determina de varias formas, depende de la forma de la muestra o del producto. El valor de la densidad media en sí varía, de nuevo, en un rango bastante significativo: de 10-20 kg / m3 (poliestireno expandido) a 2500 g / cm3 (hormigón pesado). En principio, hay materiales con una densidad media superior.

La densidad media de los materiales de construcción depende de los siguientes factores:

sobre la porosidad del material: si la porosidad es cero, entonces la densidad promedio será igual a la densidad real, y si la porosidad aumenta, la densidad promedio disminuye (relación inversa);
en el contenido de humedad del material: la densidad promedio es mayor, más agua hay en el material de construcción (en base a esto, la densidad del material se calcula cuando está completamente seco).

Muchas propiedades físicas de los materiales de construcción (por ejemplo, resistencia, conductividad térmica, absorción de agua) se pueden encontrar precisamente en base al valor de su densidad promedio.

Describiendo propiedades físicas básicas de los materiales, no se puede dejar de mencionar la porosidad, que muestra cuánto el volumen del material está lleno de huecos en forma de poros y grietas. Calcular porosidad de los materiales de construcción se puede hacer usando la siguiente fórmula:

donde P es la porosidad (%), Vpore es el volumen de poros en el material de prueba, Ve es el volumen de la muestra de material en su forma natural.

Además, la porosidad de los materiales de construcción se calcula utilizando otras fórmulas.

La porosidad de los materiales utilizados en la construcción varía dentro de un rango bastante amplio. Entonces, por ejemplo, para vidrio, polímeros y metal es 0%, para granito - 0.2-0.8%, y para yesos aislantes del calor la porosidad puede alcanzar el 75%.

Distinga entre la porosidad abierta y cerrada de los materiales de construcción. Se diferencian entre sí en que en el primer caso, los poros están abiertos y se comunican con el entorno, y en el segundo, están cerrados. Como regla general, en el mismo material hay dos tipos de poros a la vez, tanto cerrados como abiertos. La porosidad tiene un efecto significativo en algunos propiedades de rendimiento de los materiales de construcción: Por ejemplo, en materiales fonoabsorbentes, para mejorar la absorción de sonidos, se hacen deliberadamente poros abiertos y se perfora la superficie.

Las principales propiedades físicas de los materiales no se limitan a la densidad y la porosidad: también existe algo llamado "vacío", que se utiliza cuando se habla de productos especialmente creados con huecos en el interior (existen tales huecos en los ladrillos cerámicos). En cuanto a la definición, el valor de la vacuidad caracteriza el grado de llenado del volumen del producto considerado con huecos.