Kiinteiden materiaalien tiheyden määrittäminen

Sisältö

• Mikä on tiheys?
• Tiheys vs. ominaispaino
• Archimedes-periaate
• Kiintoaineiden tiheyden mittaus
• Kiintoaineiden komposiitti tiheys

Kun näet tai kuulet sanan tiheys, jos olet perehtynyt termiin ollenkaan, se todennäköisesti kutsuu mielesi mielenkuviin "tungosta": esimerkiksi hillopakatut kaupungin kadut tai puiden epätavallinen paksuus naapurustossa sijaitsevassa puiston osassa.

Ja pohjimmiltaan se, mitä tiheys viittaa: jonkin keskittymiseen painottamatta mitään kohtauksen kokonaismäärää kohtauksessa, mutta kuinka paljon on jaettu käytettävissä olevaan tilaan.

Tiheys on kriittinen käsite fysiikan maailmassa. Se tarjoaa tavan yhdistää perustiedot asia - arjen asioita, jotka yleensä (mutta ei aina) voi nähdä ja tuntea tai ainakin jollain tapaa tarttua mittauksiin laboratorioympäristössä - perustilaan, samaan kehykseen, jota käytämme maailman navigoinnissa. Erilaisilla aineilla maapallolla voi olla hyvin erilaisia ​​tiheyksiä, jopa pelkästään kiinteän aineen alueella.

Kiintoaineiden tiheyden mittaus suoritetaan käyttämällä erilaisia ​​menetelmiä kuin nesteiden ja kaasujen tiheysten arvioinnissa käytetyt menetelmät. Tarkka tapa mitata tiheys usein riippuu kokeellisesta tilanteesta ja siitä, sisältääkö näytteesi vain yhtä ainetyyppiä (materiaalia), jolla on tunnetut fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, vai useita tyyppejä.

Mikä on tiheys?

Fysiikassa materiaalinäytteen tiheys on vain näytteen kokonaismassa jaettuna sen tilavuudellariippumatta siitä, miten näytteen aine jakautuu (huolenaihe, joka vaikuttaa kyseisen kiinteän aineen mekaanisiin ominaisuuksiin).

Esimerkki jostakin, jonka tiheys on ennustettavissa tietyllä alueella, mutta jolla on myös suuresti vaihtelevia tiheysasteita kaikkialla, on ihmiskeho, joka koostuu veden, luun ja muun tyyppisten kudosten enemmän tai vähemmän kiinteästä suhteesta.

Tiheys ja massa sekoitetaan usein paino, vaikka ehkä eri syistä. Paino on yksinkertaisesti voima, joka johtuu aineeseen tai massaan vaikuttavasta painovoiman kiihtyvyydestä: F = mg. Maapallolla painovoimasta johtuvan kiihtyvyyden arvo on 9,8 m / s². massa 10 kg: n painolla on siten paino / (10 kg) (9,8 m / s²) = 98 newtonia (N).

Itse paino sekoitetaan myös tiheyteen, siitä yksinkertaisesta syystä, että kun annetaan kaksi samankokoista objektia, suurempi tiheys omaava punnitsee tosiasiallisesti enemmän. Tämä on perusta vanhalle tempukysymykselle "Mikä painaa enemmän, kiloa höyheniä tai puntaa lyijyä?" Punta on punta riippumatta siitä, mutta avain tässä on siinä, että höyhenten punta vie paljon enemmän tilaa kuin punta lyijyä, koska lyijyt ovat paljon suuremmat.

Tiheys vs. ominaispaino

Tiheyteen tiheään liittyvä fysiikan termi on tietty painovoima (SG). Tämä on vain tietyn materiaalin tiheys jaettuna veden tiheydellä. Veden tiheydeksi määritellään tarkalleen 1 g / ml (tai vastaavasti 1 kg / L) normaalissa huoneenlämpötilassa, 25 ° C. Tämä johtuu siitä, että litran määritelmä SI (kansainvälinen järjestelmä tai "metrinen") yksiköissä on veden määrä, jonka massa on 1 kg.

Pinnalla tämä näyttää siis tekevän SG: stä melko triviallisen tiedon: Miksi jakaa yhdellä? Itse asiassa on kaksi syytä. Yksi on se, että veden ja muiden materiaalien tiheys vaihtelee hieman lämpötilan mukaan jopa huoneenlämpötilan sisällä, joten kun tarkat mittaukset ovat tarpeen, tämä vaihtelu on otettava huomioon, koska ρ-arvo riippuu lämpötilasta.

Lisäksi, vaikka tiheydellä on yksikköä g / ml tai vastaavaa, SG on yksikköton, koska se on vain tiheys jaettuna tiheydellä. Se, että tämä määrä on vain vakio, helpottaa joidenkin tiheyteen liittyvien laskelmien tekemistä.

Archimedes-periaate

Ehkä suurin kiinteiden materiaalien tiheyden käytännöllinen käyttö on Archimedes-periaate, löysi vuosituhanneja sitten samanniminen kreikkalainen tutkija. Tämä periaate väittää, että kun kiinteä esine asetetaan nesteeseen, esine altistetaan verkolle ylöspäin kelluva voima yhtä suuri kuin paino siirretyn nesteen määrä.

Tämä voima on sama riippumatta sen vaikutuksesta esineeseen, joka voi olla työntää sitä kohti pintaa (jos esineen tiheys on pienempi kuin nesteen), anna sen kellua täydellisesti paikallaan (jos esine on tarkalleen yhtä suuri kuin neste) tai anna sen uppoaa (jos esineen tiheys on suurempi kuin nesteen).

Symbolisesti tämä periaate ilmaistaan F_B = W_f, missä F_B on kelluva voima ja W_f on siirretyn nesteen paino.

Kiintoaineiden tiheyden mittaus

Kiinteän aineen tiheyden määrittämiseen käytetyistä menetelmistä hydrostaattinen punnitus on suositeltavampi, koska se on tarkin, ellei kaikkein mukavin. Suurin osa mielenkiinnon kohteena olevista kiinteistä materiaaleista ei ole muodoltaan siistiä geometrisia muotoja, joiden tilavuus on helposti laskettavissa ja vaatii tilavuuden epäsuoraa määritystä.

Tämä on yksi monista elämänaloista, joista Archimedes-periaate on hyödyllinen. Kohde punnitaan sekä ilmassa että nesteessä, jonka tiheys on tunnettu (vesi on selvästi käyttökelpoinen valinta). Jos esine, jonka "maa" -massa on 60 kg (W = 588 N), syrjäyttää 50 litraa vettä, kun se upotetaan punnitusta varten, sen tiheyden on oltava 60 kg / 50 L = 1,2 kg / L.

Jos tässä esimerkissä halusit pitää tämän vettä tiheämmän esineen ripustettuna paikalleen soveltamalla ylöspäin suuntautuvaa voimaa nostovoiman lisäksi, mikä olisi tämän voiman suuruus? Lasketaan vain ero siirretyn veden ja esineen painon välillä: 588 N - (50 kg) (9,8 m / s²) = 98 N.

Kiintoaineiden komposiitti tiheys

Joskus sinulle esitetään esine, joka sisältää useampaa kuin yhden tyyppistä materiaalia, mutta toisin kuin ihmiskehon esimerkki, sisältää nämä materiaalit tasaisesti jakautuneella tavalla. Eli jos otat pienen näytteen materiaalista, sillä olisi sama materiaalin A suhde materiaaliin B kuin koko esineellä.

Yksi tilanne, jossa näin tapahtuu, on rakennustekniikassa, jossa palkit ja muut tukielementit valmistetaan usein kahdentyyppisistä materiaaleista: matriisista (M) ja kuidusta (F). Jos sinulla on näyte tästä palkista, joka koostuu näiden kahden elementin tunnetusta tilavuussuhteesta, ja tiedät niiden yksittäiset tiheydet, voit laskea komposiitin tiheyden (ρ_C) käyttämällä seuraavaa yhtälöä:

ρ_C = ρ_FV_F + ρ_MV_M,

Missä ρ_F ja ρ_M ja V_F ja Vm ovat kunkin materiaalityypin tiheydet ja tilavuusosat (ts. kuidusta tai matriisista koostuvan säteen prosentuaalinen osuus, muunnettuna desimaalilukuna).

Esimerkki: 1 000 ml: n näyte mysteeriobjektista sisältää 70 prosenttia kivistä materiaalia, jonka tiheys on 5 g / ml, ja 30 prosenttia, geelimäistä materiaalia, jonka tiheys on 2 g / ml. Mikä on esineen (komposiitti) tiheys?

ρ_C = ρ_RV_R + ρ_GV_G = (5 g / ml) (0,70) + (2 g / ml) (0,30) = 3,5 + 0,6 = 4,1 g / ml.