לאחר שהתלמידים הכירו את מושג המסה והנפח של חומרים בפיזיקה, הם לומדים מאפיין חשוב של כל גוף, הנקרא צפיפות. המאמר שלהלן מוקדש לערך זה. השאלות של המשמעות הפיזית של צפיפות נחשפות להלן. ניתנת גם נוסחת הצפיפות. מתוארות שיטות למדידה ניסיונית שלו.
המושג של צפיפות
בוא נתחיל את המאמר ברישום ישיר של הנוסחה לצפיפות החומר. זה נראה כך:
ρ=m / V.
כאן m היא המסה של הגוף הנחשב. זה מתבטא במערכת SI בקילוגרמים. במשימות ובתרגול ניתן למצוא גם יחידות מדידה אחרות שלו, למשל גרם או טון.
הסמל V בנוסחה מציין את הנפח המאפיין את הפרמטרים הגיאומטריים של הגוף. הוא נמדד ב-SI במטר מעוקב, עם זאת, משתמשים גם בקילומטרים מעוקבים, ליטר, מיליליטר וכו'.
נוסחת הצפיפות מראה איזו מסה של חומר מצויה ביחידהכרך. באמצעות הערך של ρ, ניתן להעריך למי משני הגופים יהיה משקל גדול יותר בנפחים שווים, או למי משני הגופים יהיה נפח גדול יותר עם מסות שוות. לדוגמה, עץ פחות צפוף מברזל. לכן, עם נפחים שווים של חומרים אלה, מסת הברזל תחרוג משמעותית מאותו ערך עבור עץ.
המושג של צפיפות יחסית
עצם השם של כמות זו מצביע על כך שהערך הנבדק עבור גוף אחד ייחשב ביחס למאפיין דומה עבור גוף אחר. הנוסחה לצפיפות יחסית ρr נראית כך:
ρr=ρs / ρ0.
כאשר ρs היא הצפיפות של החומר הנמדד, ρ0 היא הצפיפות שכנגדה הערך ρ r נמדד . ברור ש- ρr הוא חסר מימד. זה מראה כמה פעמים החומר הנמדד צפוף יותר מהתקן שנבחר.
עבור נוזלים ומוצקים, כסטנדרט ρ0 בחרו ערך זה עבור מים מזוקקים בטמפרטורה של 4 oC. בטמפרטורה זו יש למים צפיפות מקסימלית, שהיא ערך נוח לחישובים - 1000 kg/m3 או 1 kg/l.
במערכות גז, נהוג להשתמש בצפיפות אוויר בלחץ אטמוספרי ובטמפרטורה 0 כסטנדרט oC.
תלות בצפיפות בלחץ ובטמפרטורה
הערך הנחקר אינו קבוע עבור גוף מסוים,אם תשנה את הטמפרטורה או הלחץ החיצוני שלו. עם זאת, נוזלים ומוצקים אינם ניתנים לדחיסה במצבים רבים, כלומר הצפיפות שלהם נשארת קבועה עם שינויי לחץ כמו גם שינויי טמפרטורה.
השפעת הלחץ באה לידי ביטוי באופן הבא: כאשר הוא עולה, המרחקים הבין-אטומיים והבין-מולקולריים הממוצעים יורדים, מה שמגדיל את מספר המולות של חומר ליחידת נפח. אז הצפיפות גדלה. השפעה ברורה של לחץ על המאפיין הנחקר נצפית במקרה של גזים.
לטמפרטורה יש השפעה הפוכה מלחץ. עם עלייה בטמפרטורה, האנרגיה הקינטית של חלקיקי החומר עולה, הם מתחילים לנוע בצורה פעילה יותר, מה שמוביל לעלייה במרחקים הממוצעים ביניהם. העובדה האחרונה מובילה לירידה בצפיפות.
שוב, השפעה זו בולטת יותר עבור גזים מאשר עבור נוזלים ומוצקים. יש חריג לכלל זה - אלו מים. הוכח בניסוי שבטווח הטמפרטורות 0-4 oС הצפיפות שלו עולה עם החימום.
גופים הומוגניים ואי-הומוגניים
נוסחת הצפיפות הכתובה למעלה מתאימה למה שנקרא ממוצע ρ עבור הגוף הנחשב. אם נקצה בו נפח קטן כלשהו, אז הערך המחושב ρi יכול להיות שונה מאוד מהערך הקודם. עובדה זו קשורה לנוכחות של חלוקה לא אחידה של מסה על פני נפח. במקרה זה, הצפיפותρi נקרא מקומי.
בהתחשב בסוגיית ההפצה הלא אחידה של החומר, נראה מעניין להבהיר נקודה אחת. כאשר אנו מתחילים להתייחס לנפח יסודי הקרוב לסולמות אטומיים, מושג ההמשכיות הבינונית מופר, מה שאומר שאין טעם להשתמש במאפיין הצפיפות המקומי. ידוע שכמעט כל המסה של אטום מרוכזת בגרעין שלו, שרדיוס שלו הוא כ-10-13 מטרים. צפיפות הליבה מוערכת לפי נתון עצום. זה 2, 31017 kg/m3.
מדידת צפיפות
הוצג לעיל שבהתאם לנוסחה, הצפיפות שווה ליחס בין מסה לנפח. עובדה זו מאפשרת לנו לקבוע את המאפיין שצוין על ידי שקילת הגוף ומדידת הפרמטרים הגיאומטריים שלו.
אם צורת הגוף מורכבת מאוד, אז השיטה האוניברסלית לקביעת הצפיפות תהיה שקילה הידרוסטטית. הוא מבוסס על שימוש בכוח ארכימדאי. מהות השיטה פשוטה. הגוף נשקל תחילה באוויר ולאחר מכן במים. ההבדל במשקל משמש לחישוב הצפיפות הלא ידועה. לשם כך, השתמש בנוסחה הבאה:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
כאשר P0, Pl - משקל גוף באוויר ובנוזל. בהתאם לכך, ρl היא צפיפות הנוזל.
שיטה של שקילה הידרוסטטית לקביעת הצפיפות, לפי האגדה, שימשה לראשונה פילוסוף מסירקיוזארכימדס. הוא הצליח, מבלי להפר את השלמות הפיזית של הכתר, לקבוע שלא רק זהב, אלא גם מתכות אחרות פחות צפופות שימשו לייצורו.
