W codziennym użyciu słowo „gęstość” zwykle odnosi się do stanu bycia gęstym, tak jak w „natężeniu ruchu” gęsty” lub „ta osoba jest zbyt gęsta, aby cię zrozumieć”. Definicja gęstości (D) w nauce jest znacznie większa konkretny. Jest to ilość masy (m), która zajmuje określoną objętość (v). Matematycznie D = m/v. Gęstość dotyczy materii w stanie stałym, ciekłym i gazowym i – co nie jest niespodzianką – ciała stałe są gęstsze niż ciecze (zwykle), a ciecze są gęstsze niż gazy.
Na poziomie mikroskopowym gęstość jest miarą upakowania atomów tworzących daną substancję. Jeśli dwa obiekty zajmują tę samą objętość, gęstszy jest cięższy, ponieważ więcej atomów jest upakowanych razem w tej samej przestrzeni. Na gęstość ma wpływ temperatura, a także ciśnienie otoczenia, chociaż te zależności są najbardziej widoczne w stanie gazowym. Różnice gęstości napędzają świat; bez nich życie nie byłoby takie samo.
Gęstość oleju i wody
Woda ma gęstość 1 kilograma na metr sześcienny. Jeśli to brzmi jak zbieg okoliczności, to nie jest. Metryczne jednostki masy są oparte na gęstości wody. Większość olejków ma mniejszą gęstość niż woda i dlatego unoszą się na powierzchni. Za każdym razem, gdy mieszasz dwie ciecze lub gazy, gęstszy opada na dno pojemnika, o ile nie rozpuszcza się i nie tworzy roztworu. Powód tego jest prosty. Grawitacja wywiera większą siłę na gęsty materiał. Fakt, że olej nie rozpuszcza się w wodzie i pływa, umożliwia sprzątanie po dużym rozlaniu oleju. Pracownicy zwykle odzyskują olej, zgarniając go z powierzchni wody.
Balon z helem to zastosowanie gęstości w prawdziwym życiu
Nadmuchaj balon powietrzem z płuc, a balon będzie szczęśliwie siedział na stole lub krześle, dopóki ktoś nie wyrzuci go w powietrze. Nawet wtedy może przez chwilę unosić się na prądach powietrza, ale w końcu spadnie na ziemię. Napełnij go jednak taką samą objętością helu i musisz zawiązać na nim sznurek, aby nie odpłynął. To dlatego, że w porównaniu z cząsteczkami tlenu i azotu w powietrzu cząsteczki helu są bardzo lekkie. W rzeczywistości hel ma około 10 razy mniejszą gęstość niż powietrze. Balon odleciałby jeszcze szybciej, gdybyś napełnił go wodorem, który jest mniej więcej 100 razy mniej gęsty niż powietrze, ale wodór jest wysoce łatwopalny. Dlatego nie używają go do napełniania balonów na karnawałach.
Różnice w gęstości napędzają prądy powietrzne i oceaniczne
Dodaj ciepło do powietrza, a cząsteczki będą latać z większą energią, tworząc więcej przestrzeni między nimi. Innymi słowy, powietrze staje się mniej gęste, więc ma tendencję do unoszenia się. Jednak wraz z wysokością temperatura w troposferze spada, więc na wyższych wysokościach jest więcej zimnego powietrza, które ma tendencję do opadania. Ciągły ruch spadającego zimnego powietrza i unoszącego się ciepłego powietrza tworzy prądy powietrzne i wiatry, które napędzają pogodę na planecie.
Zmiany temperatury w oceanach również powodują różnice w gęstości, które napędzają prądy, ale zmiany zasolenia są równie ważne. Woda morska nie jest jednakowo zasolona, a im więcej soli zawiera, tym jest gęstsza. Zmiany temperatury i zasolenia powodują różnice w gęstości, które napędzają lokalne prądy wirowe, ponieważ a także głębokie podwodne rzeki, które tworzą siedliska dla stworzeń morskich i wpływają na świat klimat.
Przykłady gęstości w laboratorium
Badacze laboratoryjni polegają na różnicach gęstości, aby oddzielić substancje w stanie ciekłym lub stałym. Robią to za pomocą wirówki, która jest urządzeniem, które tak szybko wiruje mieszaniną, że wytwarza siłę kilkakrotnie większą niż siła grawitacji. W wirówce najgęstsze składniki mieszaniny doświadczają największej siły i migrują na zewnątrz naczynia, skąd można je pobrać.
Gęstość można również wykorzystać do identyfikacji materiałów wykonanych z nieznanych związków. Procedura polega na zważeniu materiałów i zmierzeniu zajmowanej przez nie objętości za pomocą wypierania wody lub innej metody. Następnie wyznaczasz gęstość materiału, używając równania D = m/v, i porównujesz ją ze znanymi gęstościami powszechnych związków wymienionych w tabelach referencyjnych.