Im Alltagsgebrauch bezieht sich das Wort "Dichte" normalerweise auf den Zustand der Verdichtung, wie in "der Verkehr ist" dicht“ oder „diese Person ist zu dicht, um dich zu verstehen.“ Die Definition der Dichte (D) in der Wissenschaft ist viel mehr Spezifisch. Es ist die Masse (m), die ein bestimmtes Volumen (v) einnimmt. Mathematisch ist D = m/v. Dichte gilt für Materie im festen, flüssigen und gasförmigen Zustand, und – keine Überraschung – Feststoffe sind (normalerweise) dichter als Flüssigkeiten und Flüssigkeiten sind dichter als Gase.
Auf mikroskopischer Ebene ist die Dichte ein Maß dafür, wie dicht die Atome einer bestimmten Substanz gepackt sind. Wenn zwei Objekte das gleiche Volumen einnehmen, ist das dichtere schwerer, weil mehr Atome im gleichen Raum zusammengepackt sind. Die Dichte wird von der Temperatur und auch vom Umgebungsdruck beeinflusst, obwohl diese Abhängigkeiten im gasförmigen Zustand am stärksten ausgeprägt sind. Dichteunterschiede treiben die Welt an; das Leben wäre ohne sie nicht dasselbe.
Die Dichte von Öl und Wasser
Wasser hat eine Dichte von 1 Kilogramm pro Kubikmeter. Wenn das wie ein Zufall klingt, ist es das nicht. Die metrischen Masseneinheiten basieren auf der Dichte von Wasser. Die meisten Öle haben eine geringere Dichte als Wasser und schwimmen deshalb. Immer wenn Sie zwei Flüssigkeiten oder Gase mischen, fällt die dichtere auf den Boden des Behälters, solange sie sich nicht auflöst und eine Lösung bildet. Der Grund dafür ist einfach. Die Schwerkraft übt auf ein dichtes Material eine stärkere Kraft aus. Die Tatsache, dass sich Öl nicht in Wasser auflöst und schwimmt, ermöglicht die Reinigung nach einer großen Ölkatastrophe. Arbeiter gewinnen das Öl normalerweise zurück, indem sie es von der Wasseroberfläche abschöpfen.
Der Heliumballon ist eine Anwendung der Dichte im wirklichen Leben
Blasen Sie einen Ballon mit Luft aus Ihren Lungen auf, und der Ballon wird glücklich auf einem Tisch oder Stuhl sitzen, bis ihn jemand in die Luft wirft. Selbst dann kann es eine Weile auf Luftströmungen schweben, aber es wird schließlich zu Boden fallen. Füllen Sie es jedoch mit der gleichen Menge Helium, und Sie müssen eine Schnur daran binden, damit es nicht wegschwebt. Denn im Vergleich zu den Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen in der Luft sind Heliummoleküle sehr leicht. Tatsächlich hat Helium eine etwa 10-mal geringere Dichte als Luft. Der Ballon würde noch schneller davonschweben, wenn Sie ihn mit Wasserstoff befüllen, der etwa 100-mal weniger dicht ist als Luft, aber Wasserstoffgas ist hochentzündlich. Deshalb werden damit keine Ballons an Karneval gefüllt.
Dichteunterschiede treiben Luft- und Meeresströmungen an
Fügen Sie der Luft Wärme hinzu und die Moleküle fliegen mit mehr Energie herum, wodurch mehr Raum zwischen ihnen entsteht. Mit anderen Worten, die Luft wird weniger dicht, sodass sie eine Tendenz hat, aufzusteigen. Die Temperatur in der Troposphäre wird jedoch mit der Höhe kälter, sodass es in höheren Lagen mehr kalte Luft gibt und sie tendenziell sinkt. Die ständige Bewegung von fallender kalter Luft und steigender warmer Luft erzeugt Luftströmungen und Winde, die das Wetter auf dem Planeten bestimmen.
Temperaturschwankungen in den Ozeanen erzeugen auch Dichteunterschiede, die Strömungen antreiben, aber Salzgehaltsschwankungen sind ebenso wichtig. Meerwasser ist nicht einheitlich salzhaltig und je mehr Salz es enthält, desto dichter ist es. Temperatur- und Salzgehaltsschwankungen erzeugen Dichteunterschiede, die lokale Wirbelströme treiben, da sowie tiefe Unterwasserflüsse, die Lebensräume für Meeresbewohner schaffen und die Welt beeinflussen Klima.
Dichtebeispiele im Labor
Laborforscher sind auf Dichteunterschiede angewiesen, um Stoffe im flüssigen oder festen Zustand zu trennen. Sie tun dies mit einer Zentrifuge, einem Gerät, das eine Mischung so schnell dreht, dass sie eine Kraft erzeugt, die um ein Vielfaches größer ist als die Schwerkraft. In der Zentrifuge erfahren die dichtesten Bestandteile einer Mischung die größte Kraft und wandern nach außen aus dem Gefäß, von wo sie entnommen werden können.
Die Dichte kann auch verwendet werden, um Materialien aus unbekannten Verbindungen zu identifizieren. Das Verfahren besteht darin, die Materialien zu wiegen und das Volumen zu messen, das sie einnehmen, unter Verwendung von Wasserverdrängung oder einer anderen Methode. Dann ermitteln Sie die Dichte des Materials mit der Gleichung D = m/v und vergleichen sie mit den bekannten Dichten üblicher Verbindungen, die in Referenztabellen aufgeführt sind.