Materiały unoszą się lub opadają głównie na podstawie gęstości. Ponieważ kostki lodu są nieco mniej gęste niż woda, kostki lodu unoszą się w wodzie. Ponieważ stal jest mniej gęsta niż rtęć, ale gęstsza niż woda, stalowe łożysko kulkowe unosi się w ciekłej rtęci, ale tonie w wodzie. Zrozumienie gęstości zaczyna się od zrozumienia, jak ją obliczyć.
Definicja i formuła gęstości
Gęstość to stosunek masy do objętości obiektu i jako taka gęstość jest wartością obliczoną, a nie zmierzoną. Znalezienie gęstości wymaga zmierzenia zarówno masy, jak i objętości obiektu. Gęstość służy do opisu ciał stałych, cieczy i gazów.
Wzór na gęstość w chemii to gęstość równa się masieMpodzielone przez objętośćV. Gęstość może być reprezentowana przezrelub grecką literą rho (ρ), więc wzór można zapisać jako:
D= \frac{M}{V} \\ \text{lub} \;ρ= \frac{M}{V}
W geologii ciężar właściwy jest używany bardziej niż gęstość, ale są one ściśle powiązane. Ciężar właściwy składa się z gęstości obiektu podzielonej przez gęstość wody (1,0 g/cm3), dając wartość bezwymiarową.
Jednostki gęstości
W przypadku ciał stałych jednostki gęstości w systemie metrycznym są zwykle podawane jako gramy (masa) na centymetr sześcienny (objętość) zapisane jako g/cm3. Gęstość można również podawać w kilogramach na metr sześcienny (kg/m3), kilogramy na centymetr sześcienny (kg/cm3) lub gramy na metr sześcienny (g/m3).
Rzadziej gęstość można podawać w funtach (masa) na stopę sześcienną (objętość), zapisywaną jako lb/ft3, funty na cal sześcienny (lb/in3) lub funty na jard sześcienny (lb/yd3).
W przypadku cieczy gęstość najczęściej podaje się w gramach na mililitr (g/ml), podczas gdy gęstość gazu zwykle podaje się w gramach na litr (g/l). Gęstość cieczy i gazu zmienia się jednak wraz z ciśnieniem i temperaturą, więc na ogół będzie to raportowane pod względem ciśnienia standardowego (jedna atmosfera) i temperatury (25°C dla cieczy i 0°C dla gazów).
Masa pomiarowa
Znalezienie masy ciał stałych wymaga użycia wagi z trzema wiązkami lub wagi elektronicznej mierzącej masę. Umieść próbkę na tacce, a następnie postępuj zgodnie z procedurą narzędzia, aby znaleźć masę. Jeśli mierzysz masę proszku lub cieczy, najpierw znajdź masę pojemnika, następnie dodaj proszek lub płyn i zmierz masę całkowitą, przed odjęciem masy pojemnika.
Pomiar objętości
Znalezienie objętości wielokąta foremnego wymaga po prostu zmierzenia wymiarów bryły i wyszukania wzoru na kształt. Na przykład prostokątny blok o wymiarach 10 centymetrów na 5 centymetrów na 2 centymetry ma objętość 10 × 5 × 2 lub 100 centymetrów sześciennych.
Obliczanie objętości ciał stałych o nieregularnych kształtach wykorzystuje zasadę przemieszczenia Archimedesa. Odmierz znaną ilość wody do cylindra miarowego, umieść przedmiot o nieregularnym kształcie w cylindrze i odczytaj zawartość cylindra miarowego, aby określić zmianę objętości. Przemieszczona woda, pokazana przez zmianę odczytu na cylindrze miarowym, jest równa objętości wstawionego przedmiotu.
W przypadku cieczy objętość można zmierzyć bezpośrednio za pomocą cylindra miarowego.
Obliczenia w celu znalezienia gęstości
Aby znaleźć gęstość, podziel zmierzoną masę przez zmierzoną objętość (re = M ÷ V).
Przykłady formuły gęstości: ciała stałe
Jeśli sześcian z materiału mierzący 1 centymetr z każdej strony ma masę 7,90 gramów, obliczenie gęstości staje się
D= \frac{7,90\;\text{g}}{1 \;\text{cm} × 1\;\text{cm} × 1 \;\text{cm}} = 7,90 \;\text{g /cm}^3
Materiałem jest najprawdopodobniej żelazo.
Masa obiektu o nieregularnym kształcie mierzona jest na 211,4 grama. Objętość wypartej wody wynosi 20 mililitrów. Ponieważ jeden mililitr wody zajmuje jeden centymetr sześcienny, objętość obiektu wynosi 20 centymetrów sześciennych. Uzupełnienie formuły pokazuje
D= \frac{211.4\;\text{g}}{20 \;\text{cm}^3} = 10,57 \;\text{g/cm}^3
Materiał jest najprawdopodobniej srebrny.
Przykłady formuły gęstości: płyny
Ciecz o objętości 50 mililitrów (ml) ma masę 63 gramów (g). Więc
D= \frac{63\;\text{g}}{50 \;\text{mL}} = 1,26 \;\text{g/mL}
Ciecz prawdopodobnie będzie gliceryną.
Ciecz o zmierzonej masie 338,75 gramów zajmuje objętość 25 mililitrów. Uzupełnienie formuły gęstości pokazuje
D= \frac{338,75\;\text{g}}{25 \;\text{mL}} = 13,55 \;\text{g/mL}
Ciecz to prawdopodobnie rtęć.
Kalkulator formuły gęstości online
Dostępne są kalkulatory formuły gęstości online. Jednak dwie z trzech zmiennych (masa, objętość lub gęstość) muszą być znane (patrz Zasoby).