Знанието точно какво количество от дадено вещество присъства като част от оценката на физичните и химичните му свойства е от основно значение за науката. Количествата имат значение - много! Вероятно в този момент си мислите: „Добре, нека преминем покрай очевидните неща“, но помислете за въпроса какво означава „сума“. Ако някой ви попитаколко от вас е там, какво бихте й казали?
Повечето от нас вероятно биха тълкували този въпрос като "Колко тежите?" или евентуално "Колко си висок?" Има обаче много еднакво правдоподобни отговори. Например колко обем (да речем в литри) заема тялото ви? Колко отделни атома или клетки съдържа?
Масата е един от начините за проследяване на „неща“ във Вселената и се отнася до това колко материя присъства; това е независимо от обема, който просто описва количествата триизмерно пространство. Съотношението на тези две количества, наречено плътност, естествено представлява интерес, както и близък братовчед, нареченспецифично тегло. Измерването на специфичното тегло е включено в инструментариума по физика главно, за да се отчете универсалната природа на водата, както скоро ще научите.
Основите на материята
В един момент човек просто остава без думи, за да опише понятие, така е и с материята. Един от начините да мислим за материята е, че тя е нещо, върху което гравитацията въздейства и теоретично бихте могли да задържите всякакъв вид материя с ръцете си, ако ръцете ви са били достатъчно мънички, и вижте с очите си, ако сте имали свръхестествено могъщи зрение.
Материята се състои от един или повечеелементи, от които 92 се срещат в природата. Елементите не могат да бъдат допълнително разбити на други части и все пак запазват своите свойства; най-малката пълна единица на елемент еатом. Голяма част от материята може да се състои от трилиони атоми на един елемент, например половин килограм чисто злато. По-често различни елементи се комбинират, за да образуват съединения, като водород (H) и кислород (O), комбинирайки се, за да образуват вода (H2О).
Маса спрямо тегло
Масата и теглото са подобни, но различни мерни единици. Масата просто описва количеството вещество, присъстващо независимо от външните фактори, а единицата за маса SI (международна система или метрика) е килограм (кг). При физическите проблеми, включващи специфично тегло, се използва грам (g), който е 1/1 000 килограма.
Теглото на даден обект зависи от гравитацията, на която е подложена неговата маса, и има единици сила, която в системата SI е нютонът (N). На Земята тази стойност не се променя осезаемо, така че масата и теглото често се използват взаимозаменяемо. Но на Луната, ако гравитацията е по-малко силна, вашата маса ще бъде същата, но теглото ви (масампо гравитацияж) ще бъде пропорционално по-слаб.
Обем и неговите приложения
Обемът се отнася до количество триизмерно пространство. Това е кубът с дължина, а единицата SI е литър (L). Един литър е представен от кубче 10 сантиметра или см (0,1 метра или m) отстрани. Вероятно сте запознати с този избор на обем най-общо поради броя на направените 1-литрови бутилки за напитки.
Само по себе си „обемът“ е просто математически определено пространство, което може би чака да бъде заето от материята, а може би не чака. Когато материята заема това пространство обаче, резултатите от нея ще бъдат различни, когато в същото количество пространство се поставят различни количества материя. Знаете това интуитивно; когато носите кутия с опаковки фъстъци и въздух, работата ви е по-лесна, отколкото беше, когато същата кутия държеше пратка с учебници преди няколко минути.
Съотношението между маса и обем, иначе известно като "разделяне на маса по обем", се нарича плътност. Но уникалната връзка на водата с всичко споменато досега все още не е описана.
Определена плътност
Плътността не разполага със собствена единица във физиката, нито наистина изисква такава, като се има предвид, че тя е получена от една основна физическа величина (маса) и една лесно извличаща се от друга (обемът е в кубични единици дължина). Обикновено се представя с гръцката буква rho или ρ:
\ rho = \ frac {m} {V}
Можете да видите, че плътността има единици kg / L в системата SI, но при физически проблеми често се използва единица g / mL. (Тъй като последната представлява първата с масата и обема, разделени на 1000, kg / L и g / mL всъщност са еквивалентни.)
Ще откриете, че повечето живи същества и много често срещани вещества, които участват в биохимични реакции, имат плътност, подобна на тази на водата; това следва от факта, че повечето живи същества се състоят предимно или предимно от Н2О.
Защо изобщо "специфично тегло"?
Това проучване отблъсна факта, че водата е навсякъде не за да разсее страховете от суша, но защото физиците и химиците са измислили лесен начин да се отчетат малките промени в плътността на насъщотовид материя: Специфично тегло, безразмерно число, което е просто съотношението на плътността на тази течност към тази на водата - с обрат.
По дефиниция 1 ml неподправена вода има маса 1 g. Първоначално литърът е избран за количеството вода с маса точно 1 кг. Проблемът с това е, че както научават по-съвременните изследователи, специфичното тегло на водата всъщност варира в зависимост от температурата дори в малки ежедневни граници (повече за това по-късно). Но докато плътността на водата почти винаги е просто закръглена до "точно" 1 за ежедневни цели, това всъщност не е константа.
- Имайте предвид, че думата "гравитация" може да обърка, тъй като гравитацията във физиката има единици за ускорение и е независима от тази дискусия.
Принцип на Архимед
Преди да се потопите изцяло в специфично тегло, трябва да демонстрирате важността и елегантността на плътността - принципът на Архимед. Просто това твърди, че действащата нагоре (плаваща) сила, упражнявана върху тяло, потопено в течност (обикновено вода), е равна на теглото на течността, изместена от тялото:FБ.= wе.
Това обяснява защо корабите са предимно кухи. Материалите, използвани за направата им, са по-плътни от водата, което означава, че ако тези материали бъдат компресирани, „корабът“ ще измести собствения си обем във вода и ще има достатъчно тегло, за да потъне. Но ако обемът на кораба се увеличи чрез поставяне на кух корпус в основата му, общата плътност намалява и корабът остава на повърхността.
Как да се изчисли специфичното тегло
Устройството най-често използва за определяне на специфичното тегло на течността, когато неговата стойност е неизвестна, се нарича aвлагомер. Те се предлагат в редица форми, но основната конструкция е тръба, претеглена отдолу, така че тя ще потъне до определена точка в тестовата течност, която лежи в градуиран цилиндър за измерване сила на звука.
От познаването на обема на течността, претеглената тръба измества и теглото на потопената част, заедно с температурата на помещението до определят истинската плътност на водата при тези условия, плътността и специфичното тегло на течността могат да бъдат определени от Архимед принцип.
Промяна на специфичното тегло с температурата
Погледът към графиката в Ресурсите разкрива, че специфичното тегло на водата остава много близо до 1.000 в диапазона от 0 до 10 градуса по Целзий, но след това намалява с повече или по-малко постоянна скорост до около 0,960, когато температурата наближава точката на кипене на водата от 100 C. Когато вещества като лекарства често се измерват и приготвят в микрограми, е жизненоважно да може да се отчитат на практика такива на пръв поглед тривиални разлики.