Плотность — скалярная физическая
величина, определяемая как отношение массы тела
к занимаемому этим телом объёму или площади(поверхностная
плотность). Более строгое определение плотности требует уточнение
формулировки:
-
Средняя плотность тела — отношение массы тела к его объёму. Для
однородного тела она также называется просто плотностью
тела.
- Плотность вещества — это плотность
тел, состоящих из этого вещества. Отсюда вытекает и короткая формулировка
определения плотности вещества: плотность вещества — это масса его
единичного объёма.
Виды плотности и единицы измерения
Исходя из определения плотности, её размерность кг/м³ в системе СИ и
в г/см³ в системе СГС.
Для сыпучих и пористых тел различают:
-
истинную плотность, определяемую без учёта пустот;
-
удельную (кажущуюся) плотность, рассчитываемую как отношение массы
вещества ко всему занимаемому им объёму.
Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины
коэффициента пористости — доли объёма пустот в занимаемом объёме.
Формула нахождения плотности
Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность
неоднородного) находится по формуле:
-
где m — масса
тела, V — его объём; формула
является просто математической записью определения термина «плотность», данного
выше.
-
При вычисления плотности газов эта
формула может быть записана и в виде:
-
-
где М — молярная
масса газа,
— молярный
объём (при нормальных
условиях равен 22,4 л/моль).
Зависимость плотности от температуры
Как правило, при уменьшении температуры плотность
увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность ведёт себя иначе,
например, вода, бронза и чугун.
Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с
повышением, так и с понижением температуры относительно этого числа.
При изменении агрегатного
состояния плотность вещества
меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния
в жидкое и при затвердевании жидкости. Правда, вода является исключением из
этого правила, её плотность при затвердевании уменьшается.
Диапазон плотностей в природе
Для различных природных объектов плотность меняется в очень
широком диапазоне.
-
Самую низкую плотность имеет межгалактическая
среда (2·10−31÷5·10−31 кг/м³)[2].
- Плотность межзвёздной среды приблизительно
равна 10−23÷10−21 кг/м³.
- Средняя плотность Солнца примерно в 1,5
раза выше плотности воды.
- Средняя плотность красных
гигантов на много порядков
меньше, чем у Солнца, из-за того, что их радиус в сотни раз больше.
- Средняя плотность Земли равна
5520 кг/м³.
-
Жидкий водород при атмосферном
давлении и температуре −253 °C
имеет плотность 70 кг/м³.
- Плотность жидкого
гелия при атмосферном
давлении равна 130 кг/м³.
- Плотность пресной воды составляет
1000 кг/м³.
-
Гранит имеет плотность 2600
кг/м³.
- Плотность железа равна
7874 кг/м³.
- Наибольшую плотность среди металлов имеет осмий (22
587 кг/м³).
- Плотность атомных ядер приблизительно равна
2·1017 кг/м³.
- Плотность белых
карликов составляет 108÷1012 кг/м³.
- Плотность нейтронных
звёзд имеет порядок 1017÷1018 кг/м³.
- Теоретически верхнюю границу представляет планковская
плотность (современная физика
оценивает её в 5,1·1096 кг/м³,
хотя не исключено, что она очень сильно завышена).
Плотности астрономических объектов
Средние плотности планет Солнечной системы и Солнца:
Средняя плотность Солнца
и планет (в г/см³)
-
Межпланетная среда в Солнечной системе достаточно неоднородна и может
меняться во времени, её плотность в окрестностях Земли ~10−21÷10−20 кг/м³.
- Плотность межзвёздной среды ~10−23÷10−21 кг/м³.
- Плотность межгалактической среды от 2×10−34 до
5×10−34 кг/м³.
- Средняя плотность красных
гигантов на много порядков
меньше из-за того, что их радиус в сотни раз больше, чем у Солнца.
- Плотность белых
карликов 108÷1012 кг/м³
- Плотность нейтронных
звёзд имеет порядок 1017÷1018 кг/м³.
- Средняя (по объёму под горизонтом событий)
плотность чёрной
дыры
- у чёрной дыры с массой порядка
солнечной превышает ядерную плотность,
- у сверхмассивной чёрной дыры с массой в
109 солнечных
масс (существование таких чёрных дыр подозревается в квазарах)
составляет около 20 кг/м³,
- у сверхмассивной чёрной дыры в центре
галактики может быть 0,2 кг/м³.
Плотности некоторых газов
Плотность газов и паров (0
°C, 101325 Па), кг/м³
Азот |
1,250 |
Кислород |
1,429 |
Аммиак |
0,771 |
Криптон |
3,743 |
Аргон |
1,784 |
Ксенон |
5,851 |
Водород |
0,090 |
Метан |
0,717 |
Водяной пар (100 °C) |
0,598 |
Неон |
0,900 |
Воздух |
1,293 |
Углекислый газ |
1,977 |
Хлор |
3,164 |
Гелий |
0,178 |
Этилен |
1,260 |
|
|
Плотности некоторых жидкостей
Плотность жидкостей,
г/см³
Бензин |
0,74 |
Молоко |
1,04 |
Вода (4 °C) |
1,00 |
Ртуть (0 °C) |
13,60 |
Керосин |
0,82 |
Эфир |
0,72 |
Глицерин |
1,26 |
Спирт |
0,80 |
Морская вода |
1,03 |
Скипидар |
0,86 |
Масло оливковое |
0,92 |
Ацетон |
0,792 |
Масло машинное |
0,91 |
Серная кислота |
1,84 |
Нефть |
0,81—0,85 |
Жидкий водород (−253 °C) |
0,07 |
Плотность некоторых пород древесины
Плотность древесины,
г/см³
Бальса |
0,15 |
Пихта сибирская |
0,39 |
Секвойя вечнозелёная |
0,41 |
Ель |
0,45 |
Ива |
0,46 |
Ольха |
0,49 |
Осина |
0,51 |
Сосна |
0,52 |
Липа |
0,53 |
Конский каштан |
0,56 |
Каштан съедобный |
0,59 |
Кипарис |
0,60 |
Черёмуха |
0,61 |
Лещина |
0,63 |
Грецкий орех |
0,64 |
Берёза |
0,65 |
Вишня |
0,66 |
Вяз гладкий |
0,66 |
Лиственница |
0,66 |
Клён полевой |
0,67 |
Тиковое дерево |
0,67 |
Бук |
0,68 |
Груша |
0,69 |
Дуб |
0,69 |
Свитения (Махагони) |
0,70 |
Платан |
0,70 |
Жостер (крушина) |
0,71 |
Тис |
0,75 |
Ясень |
0,75 |
Слива |
0,80 |
Сирень |
0,80 |
Боярышник |
0,80 |
Пекан (кария) |
0,83 |
Сандаловое дерево |
0,90 |
Самшит |
0,96 |
Эбеновое дерево |
1,08 |
Квебрахо |
1,21 |
Бакаут |
1,28 |
Пробка |
0,48 |
|
Измерение плотности
Для измерения плотности используются: