בואו נבחן במאמר כיצד למצוא את הצפיפות, ומהי. בתכנון של מבנים וכלי רכב רבים, נלקחים בחשבון מספר מאפיינים פיזיים שחייבים להיות לחומר מסוים. אחד מהם הוא צפיפות.
מסה ונפח
פענח את המשמעות של שתי כמויות פיזיקליות שקשורות אליו ישירות - זהו מסה ונפח. לפני שנענה על השאלה איך למצוא צפיפות.
מסה היא מאפיין המתאר את תכונות האינרציה של גופים ואת יכולתם להראות משיכה כבידה זה לזה. המסה נמדדת בקילוגרמים במערכת SI.
המושגים של מסות אינרציאליות וכבידה הוכנסו לראשונה לפיזיקה על ידי אייזק ניוטון בעת ניסוח חוקי המכניקה והכבידה האוניברסלית.
נפח הוא מאפיין גיאומטרי בלעדי של הגוף, המשקף באופן כמותי את החלק בחלל שהוא תופס. נפח נמדד ביחידות מעוקבות של אורך, למשל, ב-SI הוא בקוביות של מטרים.
לגופים בעלי צורה ידועה(מקביל, כדור, פירמידה) ניתן לקבוע ערך זה על ידי נוסחאות מיוחדות, עבור עצמים בעלי צורה גיאומטרית לא סדירה, הנפח נקבע על ידי טבילתם בנוזל.
צפיפות כמות פיזית
עכשיו אתה יכול ללכת ישירות לתשובה לשאלה איך למצוא את הצפיפות. מאפיין זה נקבע על ידי היחס בין מסת הגוף לנפח שהוא תופס, אשר כתוב מתמטית כך:
ρ=m/V.
השוויון הזה מציג את היחידות של ρ (kg/m3). לפיכך, צפיפות, מסה ונפח קשורים בשוויון יחיד, והערך של ρ עבור כל חומר מראה את ריכוז הנפח של המסה שלו.
בוא ניתן דוגמה פשוטה: אם אתה לוקח ביד כדורי פלסטיק וברזל באותו גודל, אז למשקל השני יהיה הרבה יותר משקל מהראשון. עובדה זו נובעת מהצפיפות הגבוהה של ברזל בהשוואה לזו של פלסטיק.
אחד הביטויים העיקריים של יחס הצפיפות בטבע יהיה ציפה של גופים. אם לגוף יש צפיפות נמוכה יותר מהנוזל, אז הוא לעולם לא ישקע בו.
צפיפות החומרים
כשמדברים על הצפיפות של חומרים מסוימים, הם מתכוונים למוצקים. גם לגזים ולנוזלים יש צפיפות מסוימת, אבל לא נדבר עליהם כאן.
חומרים מוצקים יכולים להיות גבישיים או אמורפיים. הערך של ρ תלוי במבנה, במרחקים בין אטומיים ובמסות אטומיות ומולקולריות של חומרים. לדוגמה, כל המתכות הן קריסטלים, וזכוכית או עץ ישמבנה אמורפי. להלן טבלה של הצפיפות של סוגי עץ שונים.
אנא שים לב שבמקרה זה ניתנת הצפיפות הממוצעת. בחיים האמיתיים, לכל עץ יש תכונות ייחודיות, כולל חללים, נקבוביות ונוכחות של אחוז מסוים של לחות בעץ.
להלן טבלה נוספת. בו, ב-g/cm3 ניתנות צפיפות של כל היסודות הכימיים הטהורים שנמצאים בטמפרטורת החדר.
ניתן לראות מהטבלה שלכל היסודות יש צפיפות גדולה מזו של מים. יוצאת הדופן היא רק שלוש מתכות - ליתיום, אשלגן ונתרן, שאינן שוקעות, אלא צפות על פני המים.
איך נמדדת צפיפות בניסוי?
למעשה, ישנן שתי טכניקות לקביעת המאפיין הנבדק. הראשון הוא לשקול ישירות את הגוף ולמדוד את הממדים הליניאריים שלו.
אם הצורה הגיאומטרית של הגוף מורכבת, אז נעשה שימוש בשיטה הידרוסטטית כביכול.
מהותו היא כדלקמן: ראשית שקלו את הגוף באוויר. הבה נניח שהמשקל שהתקבל היה P1. לאחר מכן, הגוף נשקל בנוזל עם צפיפות ידועה ρl. תנו למשקל הגוף בנוזל להיות P2. אז הערך של הצפיפות ρ של החומר הנבדק יהיה:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
נוסחה זו יכולה לקבל כל תלמיד בעצמו אם הוא מחשיב את חוק ארכימדסלמקרה המתואר.
מבחינה היסטורית, מאמינים שבפעם הראשונה שקילה הידרוסטטית שימשה את הפילוסוף היווני ארכימדס כדי לקבוע את כתר הזהב המזויף. האיזונים ההידרוסטטיים הראשונים הומצאו על ידי גלילאו גליליי בסוף המאה ה-16. נכון לעכשיו, פיקנומטרים אלקטרוניים ומדדי צפיפות נמצאים בשימוש נרחב כדי לקבוע באופן ניסיוני את הערך של ρ בנוזלים, במוצקים ובגזים.
הגדרה תיאורטית של צפיפות
השאלה כיצד למצוא את הצפיפות בניסוי נדונה לעיל. עם זאת, ρ זה של חומר לא ידוע ניתן למצוא באופן תיאורטי. כדי לעשות זאת, יש צורך לדעת את סוג סריג הגביש, את הפרמטרים של הסריג הזה, כמו גם את מסת האטומים היוצרים אותו. מכיוון שלכל סריג קריסטל אלמנטרי יש צורה גיאומטרית מסוימת, קל למצוא נוסחה לקביעת הנפח שלו.
אם חומר גבישי מורכב מכמה יסודות כימיים, כגון סגסוגות מתכת, ניתן לקבוע את הצפיפות הממוצעת שלו על ידי הנוסחה הפשוטה הבאה:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
כאשר mi, ρi הם המסה והצפיפות של הרכיב ה-i, בהתאמה.
אם לחומר יש מבנה אמורפי, אז תיאורטית לא ניתן יהיה לקבוע במדויק את צפיפותו, ויש להשתמש בטכניקות ניסוי.
