Como determinar a gravidade específica

Saber exatamente que quantidade de uma determinada substância está presente como parte da avaliação das propriedades físicas e químicas dessa substância é fundamental para a ciência. Quantidades são importantes - muito! Você provavelmente está pensando: "Ok, vamos deixar as coisas óbvias" neste ponto, mas considere a questão do que significa "quantidade". Se alguém te perguntassequanto de você está lá, o que você diria a ela?

A maioria de nós provavelmente interpretaria essa pergunta como "Quanto você pesa?" ou possivelmente "Qual a sua altura?" Existem, no entanto, muitas respostas igualmente plausíveis. Por exemplo, quanto volume (digamos, em litros) seu corpo ocupa? Quantos átomos ou células individuais ele contém?

Massa é uma maneira de manter o controle de "coisas" no universo e se refere a quanta matéria está presente; isso é independente do volume, que simplesmente descreve quantidades de espaço tridimensional. A proporção dessas duas quantidades, chamada densidade, é naturalmente de interesse, como é um primo próximo, denominado

Em algum ponto, simplesmente fica sem palavras para descrever um conceito, e assim é com a matéria. Uma maneira de pensar na matéria é que ela é qualquer coisa sobre a qual a gravidade atua, e você poderia teoricamente conter qualquer tipo de matéria com suas mãos se suas mãos fossem pequenas o suficiente, e veja com seus próprios olhos se você tivesse poder sobrenatural visão.

A matéria consiste em um ou maiselementos, dos quais 92 ocorrem na natureza. Os elementos não podem ser subdivididos em outras partes e ainda retêm suas propriedades; a menor unidade completa de um elemento é umátomo. Um grande pedaço de matéria pode consistir em trilhões de átomos de um único elemento, como meio quilo de ouro puro. Mais frequentemente, diferentes elementos se combinam para formar compostos, como hidrogênio (H) e oxigênio (O) combinados para formar água (H₂O).

Massa e peso são unidades de medida semelhantes, mas distintas. A massa simplesmente descreve a quantidade de matéria presente independentemente dos fatores externos, e a unidade de massa do SI (Sistema Internacional ou métrico) é o quilograma (kg). Em problemas de física envolvendo gravidade específica, o grama (g), que é 1 / 1.000 de um quilograma, é usado.

O peso de um objeto depende da gravidade a que sua massa está submetida, e possui unidades de força, que no sistema SI é o newton (N). Na Terra, esse valor não muda perceptivelmente, portanto, massa e peso costumam ser usados ​​alternadamente. Mas na lua, onde a gravidade é menos forte, sua massa seria a mesma, mas seu peso (massamvezes a gravidadeg) seria proporcionalmente mais fraco.

O volume se refere a uma quantidade de espaço tridimensional. É o cubo de comprimento e a unidade SI é o litro (L). Um litro é representado por um cubo de 10 centímetros ou cm (0,1 metros ou m) de lado. Você provavelmente está familiarizado com essa seleção de volume geralmente por causa do número de garrafas de bebida de 1 litro feitas.

Por si só, "volume" é apenas um espaço definido matematicamente, talvez esperando para ser ocupado pela matéria, talvez não esperando. Quando a matéria ocupa esse espaço, entretanto, os efeitos resultantes serão diferentes, quando diferentes quantidades de matéria forem colocadas na mesma quantidade de espaço. Você sabe disso intuitivamente; quando você carrega uma caixa de embalagem de amendoim e ar, seu trabalho é mais fácil do que era quando a mesma caixa continha uma remessa de livros didáticos momentos antes.

A relação entre massa e volume, também conhecida como "divisão da massa por volume", é chamada de densidade. Mas a relação única da água com tudo o que foi mencionado até agora ainda não foi descrita.

A densidade não tem unidade própria em física, nem mesmo requer uma, uma vez que é derivada de uma quantidade física fundamental (massa) e uma facilmente derivada de outra (o volume tem unidades cúbicas de comprimento). Normalmente é representado pela letra grega rho, ou ρ:

Você pode ver que a densidade tem unidades de kg / L no sistema SI, mas em problemas de física, a unidade g / mL é freqüentemente empregada. (Uma vez que o último representa o primeiro com a massa e o volume dividido por 1.000, kg / L e g / mL são realmente equivalentes.)

Você descobrirá que a maioria dos seres vivos e muitas substâncias comuns que participam das reações bioquímicas têm densidades semelhantes à da água; isso decorre do fato de que a maioria dos seres vivos consiste em grande parte ou principalmente de H₂O.

Esta exploração tem martelado o fato de que a água está em toda parte, não para dissipar o medo de uma seca, mas porque físicos e químicos descobriram uma maneira fácil de explicar pequenas mudanças na densidade de amesmotipo de matéria: gravidade específica, um número adimensional que é apenas a razão entre a densidade desse fluido e a da água - com uma torção.

Por definição, 1 mL de água não adulterada tem massa de 1 g. Um litro foi originalmente escolhido para ser a quantidade de água que tinha uma massa de exatamente 1 kg. O problema com isso é que, conforme os pesquisadores mais modernos aprenderam, a gravidade específica da água realmente varia com a temperatura, mesmo em intervalos pequenos e diários (mais sobre isso mais tarde). Mas, embora a densidade da água seja quase sempre simplesmente arredondada para "exatamente" 1 para fins diários, isso não é realmente uma constante.

• Observe que a palavra "gravidade" pode ser confusa, uma vez que a gravidade na física tem unidades de aceleração e é independente dessa discussão.

Antes de mergulhar totalmente na gravidade específica, é necessária uma demonstração da importância e elegância da densidade - o princípio de Arquimedes. Simplesmente, isso afirma que a força de ação ascendente (flutuante) exercida sobre um corpo imerso em um fluido (geralmente água) é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo:F_B= w​_f.

Isso explica por que os navios são em sua maioria ocos. Os materiais usados ​​para fazê-los são mais densos que a água, o que significa que se esses materiais fossem comprimidos, o "navio" deslocaria seu próprio volume na água e teria peso suficiente para afundá-lo. Mas se o volume do navio é aumentado colocando um casco oco em sua base, a densidade geral diminui e o navio permanece flutuando.

O dispositivo usado com mais frequência para determinar a gravidade específica de um fluido quando seu valor é desconhecido é chamado dehidrômetro. Eles vêm em várias formas, mas a construção básica é um tubo com peso na parte inferior para que irá afundar até um certo ponto no fluido de teste, que repousa em um cilindro graduado para medir volume.

Do conhecimento do volume de fluido, o tubo ponderado se desloca e o peso da porção imersa, junto com a temperatura da sala, para determinar a verdadeira densidade da água nestas condições, a densidade e a gravidade específica do fluido podem ser determinadas a partir de Arquimedes ' princípio.

Uma olhada no gráfico nos Recursos revela que a gravidade específica da água permanece muito próxima a 1.000 na faixa de 0 a 10 graus Celsius, mas então diminui a uma taxa mais ou menos constante para cerca de 0,960 conforme a temperatura se aproxima do ponto de ebulição da água de 100 C. Quando substâncias como medicamentos são frequentemente medidas e preparadas em microgramas, é vital ser capaz de explicar na prática essas diferenças aparentemente triviais.