Jak określić ciężar właściwy?

Dokładna wiedza o tym, jaka ilość danej substancji jest obecna w ramach oceny właściwości fizycznych i chemicznych tej substancji, ma kluczowe znaczenie dla nauki. Liczą się ilości – bardzo! Prawdopodobnie w tym momencie myślisz: „Ok, przejdźmy do oczywistych rzeczy”, ale zastanówmy się nad pytaniem, co oznacza „ilość”. Jeśli ktoś cię zapytałile z was tam jest?, co byś jej powiedział?

Większość z nas prawdopodobnie zinterpretowałaby to pytanie jako „Ile ważysz?” lub ewentualnie "Ile masz wzrostu?" Istnieje jednak wiele równie prawdopodobnych odpowiedzi. Na przykład, ile objętości (powiedzmy w litrach) zajmuje twoje ciało? Ile zawiera pojedynczych atomów lub komórek?

Masa jest jednym ze sposobów śledzenia „rzeczy” we wszechświecie i odnosi się do tego, ile materii jest obecne; jest to niezależne od objętości, która po prostu opisuje ilość przestrzeni trójwymiarowej. Stosunek tych dwóch wielkości, zwany gęstością, jest naturalnie interesujący, podobnie jak bliski kuzyn, określany jakośrodek ciężkości

W pewnym momencie po prostu zabraknie słów do opisania pojęcia, tak samo jest z materią. Jednym ze sposobów myślenia o materii jest to, że jest to wszystko, na co działa grawitacja, i teoretycznie można by trzymać dowolną materię rękoma, jeśli dłonie były dostatecznie małe, i zobacz to na własne oczy, gdybyś miał nadprzyrodzoną moc wizja.

Sprawa składa się z jednego lub więcejelementy, z których 92 występują w naturze. Elementy nie mogą być dalej rozbijane na inne części i nadal zachowują swoje właściwości; najmniejszą kompletną jednostką elementu jest anatom. Duży kawałek materii może składać się z bilionów atomów pojedynczego pierwiastka, takiego jak funt czystego złota. Częściej różne pierwiastki łączą się, tworząc związki, takie jak wodór (H) i tlen (O), tworząc wodę (H₂O).

Masa i waga są podobnymi, ale odrębnymi jednostkami miary. Masa po prostu opisuje ilość materii obecnej niezależnie od czynników zewnętrznych, a jednostką masy SI (systemu międzynarodowego lub metryki) jest kilogram (kg). W problemach fizyki dotyczących ciężaru właściwego stosuje się gram (g), czyli 1/1000 kilograma.

Ciężar obiektu zależy od grawitacji, której poddawana jest jego masa, i ma jednostki siły, którymi w układzie SI są niuton (N). Na Ziemi wartość ta nie zmienia się zauważalnie, dlatego masa i waga są często używane zamiennie. Ale na Księżycu, gdyby grawitacja była słabsza, twoja masa byłaby taka sama, ale waga (masa)mrazy grawitacjasol) byłaby proporcjonalnie słabsza.

Objętość odnosi się do ilości przestrzeni trójwymiarowej. Jest to sześcian długości, a jednostką SI jest litr (L). Jeden litr jest reprezentowany przez sześcian o boku 10 centymetrów lub cm (0,1 metra lub m). Prawdopodobnie znasz ten wybór objętości ze względu na liczbę wyprodukowanych butelek na napoje o pojemności 1 litra.

Sama „objętość” jest tylko matematycznie zdefiniowaną przestrzenią, być może czekającą na zajęcie przez materię, a może nie czekającą. Jednak gdy materia zajmuje tę przestrzeń, wynikające z tego efekty będą różne, gdy różne ilości materii zostaną umieszczone w tej samej przestrzeni. Wiesz to intuicyjnie; kiedy nosisz ze sobą pudełko z orzeszkami i powietrzem, twoja praca jest łatwiejsza niż wtedy, gdy w tym samym pudełku kilka chwil wcześniej znajdowała się partia podręczników.

Stosunek masy do objętości, zwany inaczej „podziałem masy przez objętość”, nazywa się gęstością. Jednak wyjątkowy związek wody ze wszystkim, o czym do tej pory wspomniano, nie został jeszcze opisany.

Gęstość nie ma własnej jednostki w fizyce, nie jest tak naprawdę jej wymagana, biorąc pod uwagę, że wywodzi się z jedną podstawową wielkość fizyczną (masę) i jedną łatwo wyprowadzoną z innej (objętość ma sześcienne jednostki długość). Zwykle jest reprezentowana przez grecką literę rho lub ρ:

Widać, że gęstość ma jednostki kg/L w układzie SI, ale w problemach fizycznych często stosuje się jednostkę g/mL. (Ponieważ ta ostatnia reprezentuje pierwszą, przy czym zarówno masa, jak i objętość podzielona przez 1000, kg/L i g/mL są w rzeczywistości równoważne.)

Przekonasz się, że większość żywych istot i wiele powszechnych substancji, które biorą udział w reakcjach biochemicznych, ma gęstość podobną do gęstości wody; wynika to z faktu, że większość żywych organizmów składa się głównie lub głównie z H₂O.

Ta eksploracja udowodniła, że ​​woda jest wszędzie nie po to, by rozwiać obawy przed suszą, ale ponieważ fizycy i chemicy wymyślili łatwy sposób na uwzględnienie niewielkich zmian gęstościpodobnierodzaj materii: Ciężar właściwy, bezwymiarowa liczba, która jest po prostu stosunkiem gęstości tego płynu do gęstości wody – z skręceniem.

Z definicji 1 ml czystej wody ma masę 1 g. Pierwotnie wybrano litr jako ilość wody o masie dokładnie 1 kg. Problem polega na tym, że, jak dowiedzieli się współcześni badacze, ciężar właściwy wody faktycznie zmienia się wraz z temperaturą nawet w małych, codziennych zakresach (więcej o tym później). Ale chociaż gęstość wody jest prawie zawsze po prostu zaokrąglana do „dokładnie” 1 dla celów codziennych, nie jest to w rzeczywistości stała.

• Zauważ, że słowo „grawitacja” może być mylące, ponieważ grawitacja w fizyce ma jednostki przyspieszenia i jest niezależna od tej dyskusji.

Zanim zagłębimy się w pełni w ciężar właściwy, należy zademonstrować znaczenie i elegancję gęstości – zasada Archimedesa. Po prostu oznacza to, że siła działająca w górę (wyporu) wywierana na ciało zanurzone w płynie (zwykle w wodzie) jest równa ciężarowi płynu wypartego przez ciało:fa_b=w​_fa.

To wyjaśnia, dlaczego statki są w większości puste. Materiały użyte do ich wykonania są gęstsze niż woda, co oznacza, że ​​gdyby te materiały zostały skompresowane, „statek” wyparłby swoją własną objętość w wodzie i miałby wystarczającą wagę, aby zatonąć. Ale jeśli objętość statku zostanie zwiększona przez umieszczenie pustego kadłuba u jego podstawy, ogólna gęstość zmniejsza się, a statek pozostaje na powierzchni.

Urządzenie najczęściej używane do określania ciężaru właściwego płynu, gdy jego wartość jest nieznana, nazywa się aareometr. Występują w wielu formach, ale podstawową konstrukcją jest rura obciążona na dole tak, aby opadnie do pewnego punktu w płynie testowym, który spoczywa w cylindrze miarowym do pomiaru Tom.

Znając objętość płynu wyporową rurkę obciążoną i wagę zanurzonej części, wraz z temperaturą pomieszczenia do określić rzeczywistą gęstość wody w tych warunkach, gęstość i ciężar właściwy płynu można określić na podstawie Archimedesa zasada.

Rzut oka na wykres w Zasobie pokazuje, że ciężar właściwy wody pozostaje bardzo bliski 1000 w zakresie od 0 do 10 stopni Celsjusza, ale następnie spada w mniej więcej stałym tempie do około 0,960, gdy temperatura zbliża się do temperatury wrzenia wody 100 stopni Kiedy substancje, takie jak leki, są często mierzone i przygotowywane w mikrogramach, bardzo ważne jest, aby w praktyce uwzględnić takie pozornie błahe różnice.