Hoe op te lossen voor soortelijk gewicht

"Specifieke zwaartekracht" is op het eerste gezicht een enigszins misleidende term. Het heeft weinig te maken met zwaartekracht, wat natuurlijk een onmisbaar concept is in een reeks natuurkundige problemen en toepassingen. In plaats daarvan heeft het betrekking op de hoeveelheid materie (massa) van een specifieke stof binnen een bepaald volume, afgezet tegen de standaard van misschien wel de meest vitale en alomtegenwoordige stof die de mensheid kent - water.

Hoewel soortelijk gewicht niet expliciet de waarde van de zwaartekracht van de aarde gebruikt (die vaak een kracht wordt genoemd, maar in feite eenheden van versnelling in de natuurkunde – 9,8 meter per seconde per seconde aan het oppervlak van de planeet, om precies te zijn), is zwaartekracht een indirecte overweging omdat dingen die "zwaarder" zijn, hebben hogere specifieke zwaartekrachtwaarden dan dingen die "lichter" zijn. Maar wat betekenen woorden als "zwaar" en "licht" zelfs in? de formele betekenis? Nou, daar is natuurkunde voor.

Ten eerste is soortelijk gewicht zeer nauw verwant aan dichtheid, en de termen worden vaak door elkaar gebruikt. Zoals met veel concepten in de wereld van de wetenschap, is dit over het algemeen acceptabel, maar bij het overwegen van de effect dat kleine veranderingen in betekenis en hoeveelheden kunnen hebben op de fysieke wereld, het is niet te verwaarlozen verschil.

Dichtheid is gewoon massa gedeeld door volume, punt. Als je een waarde krijgt voor de massa van iets en je weet hoeveel ruimte het inneemt, dan kun je meteen de dichtheid berekenen. (Zelfs hier kunnen netelige problemen ontstaan. Deze berekening gaat ervan uit dat het materiaal uniforme samenstellingen heeft door zijn massa en volume en dat zijn dichtheid daarom uniform is. Anders bereken je alleen een gemiddelde dichtheid, die al dan niet in orde is voor de vereisten van het betreffende probleem.)

Natuurlijk helpt het om een ​​getal te hebben dat logisch is als je klaar bent met je berekening - een dat vaak wordt gebruikt. Dus als je de massa van iets in ounces hebt en het volume in microliters, zeg, als je massa door volume deelt om de dichtheid te krijgen, krijg je zeer onhandige eenheden van ounces per microliter. Streef in plaats daarvan naar een van de gebruikelijke eenheden, zoals g/ml of gram per milliliter (wat hetzelfde is als g/cm³, of gram per kubieke centimeter). Volgens de oorspronkelijke definitie heeft 1 ml zuiver water een massa van zeer, zeer dicht bij 1 g, zo dichtbij dat de dichtheid van water bijna altijd eenvoudig wordt afgerond op "precies" 1 voor alledaagse doeleinden; dit maakt g/ml een bijzonder handige eenheid en speelt een rol bij het soortelijk gewicht.

De dichtheid van stoffen is zelden constant. Dit geldt met name voor vloeistoffen en gassen (dat wil zeggen vloeistoffen), die gevoeliger zijn voor temperatuurveranderingen dan vaste stoffen. Vloeistoffen en gassen zijn ook geschikt voor de toevoeging van extra massa zonder volumeverandering op een manier die vaste stoffen niet kunnen.

Water bestaat bijvoorbeeld in vloeibare toestand tussen 0 graden Celsius en 100 C. Naarmate het van de onderkant van dit bereik naar het hogere uiteinde opwarmt, zet het uit. Dat wil zeggen, dezelfde hoeveelheid massa verbruikt meer en meer volume bij stijgende temperatuur. Als gevolg hiervan wordt het water minder dicht bij toenemende temperatuur.

Een andere manier waarop vloeistoffen dichtheidsveranderingen ondergaan, is de toevoeging van deeltjes die oplossen in de vloeistof, opgeloste stoffen genoemd. Zoet water bevat bijvoorbeeld heel weinig zout (natriumchloride), terwijl zeewater, zoals bekend, er veel van bevat. Wanneer zout aan water wordt toegevoegd, neemt de massa toe, terwijl het volume, voor alle praktische doeleinden, niet toeneemt. Dit betekent dat zeewater een grotere dichtheid heeft dan zoet water en dat zeewater met een bijzonder hoog zoutgehalte (zoutgehalte) dichter dan typisch zeewater of zeewater met relatief weinig zout, zoals bij de monding van een groot zoetwater a rivier.

De implicatie van deze verschillen is dat, omdat minder dichte materialen een lagere neerwaartse druk uitoefenen exert dan meer dichte materialen vormt water vaak lagen op basis van verschillen in temperatuur, zoutgehalte of iets dergelijks combinatie. Zo zal water dat zich al in de buurt van het wateroppervlak bevindt, meer door de zon worden verwarmd dan dieper water, waardoor dat oppervlaktewater minder dicht wordt en dus nog meer kans heeft om boven op de waterlagen te blijven onder.

Soortelijk gewicht eenheden zijn niet hetzelfde als voor dichtheid, die massa per volume-eenheid is. Dit komt omdat de formule van het soortelijk gewicht iets anders is: het is de dichtheid van het onderzochte materiaal gedeeld door de dichtheid van water. Meer formeel is de vergelijking van het soortelijk gewicht:

(massa materiaal ÷ volume materiaal) ÷ ​​(massa water ÷ volume water)

Als dezelfde container wordt gebruikt om zowel het volume van het water als het volume van de stof te meten, dan zijn deze volumes kunnen als hetzelfde worden behandeld en buiten de bovenstaande vergelijking worden weggelaten, waarbij de formule voor soortelijk gewicht overblijft net zo:

(massa materiaal ÷ massa water)

Omdat dichtheid gedeeld door dichtheid en massa gedeeld door massa beide eenheidsloos zijn, is het soortelijk gewicht ook eenheidsloos. Het is gewoon een nummer.

De watermassa in een bak met vast water verandert met de temperatuur van het water, die in de meeste gevallen dicht bij de temperatuur van de kamer waarin het zich bevindt, ligt als het een tijdje stilstaat. Bedenk dat de dichtheid van water daalt met de temperatuur als water uitzet. In het bijzonder heeft water met een temperatuur van 10 C een dichtheid van 0,9997 g/ml, terwijl water van 20 C een dichtheid van 0,9982 g/ml heeft. Water van 30°C heeft een dichtheid van 0,9956 g/ml. Deze verschillen van tienden van procenten lijken op het eerste gezicht misschien triviaal, maar als je wilt? de dichtheid van een stof met grote precisie bepalen, moet je echt je toevlucht nemen tot specifieke zwaartekracht.

Specifiek volume, aangeduid met v (kleine "v", en niet te verwarren met snelheid; context zou hier behulpzaam moeten zijn), is een term die wordt toegepast op gassen, en het is het volume van het gas gedeeld door zijn massa, of V/m. Dit is slechts het omgekeerde van de dichtheid van het gas. De eenheden hier zijn meestal m³/kg in plaats van ml/g, het laatste is wat je zou verwachten gezien de meest voorkomende eenheid van dichtheid. Waarom zou dit kunnen zijn? Overweeg de aard van gassen: ze zijn erg diffuus en het verzamelen van een aanzienlijke massa ervan is niet gemakkelijk, tenzij men in staat is om in grotere volumes te handelen.

Bovendien is het concept van drijfvermogen gerelateerd aan dichtheid. In een vorige paragraaf werd opgemerkt dat objecten met een grotere dichtheid meer neerwaartse druk uitoefenen dan objecten met een lagere dichtheid. Meer in het algemeen houdt dit in dat een object dat in water wordt geplaatst, zal zinken als de dichtheid groter is dan die van water, maar drijven als de dichtheid kleiner is dan die van water. Hoe zou je het gedrag van ijsblokjes verklaren, alleen gebaseerd op wat je hier hebt gelezen?

In elk geval is de opwaartse kracht de kracht van een vloeistof op een object dat in die vloeistof is ondergedompeld en die de zwaartekracht tegengaat die het object dwingt te zinken. Hoe dichter een vloeistof, hoe groter de opwaartse kracht die het op een bepaald object zal uitoefenen, wat weerspiegeld wordt in de kleinere kans dat dat object zal zinken.