หลังจากที่นักเรียนทำความคุ้นเคยกับแนวคิดเรื่องมวลและปริมาตรของสสารในวิชาฟิสิกส์แล้ว พวกเขาได้ศึกษาคุณลักษณะที่สำคัญของร่างกายใดๆ ก็ตาม ซึ่งเรียกว่าความหนาแน่น บทความด้านล่างนี้ทุ่มเทให้กับค่านี้ คำถามเกี่ยวกับความหมายทางกายภาพของความหนาแน่นมีการเปิดเผยด้านล่าง สูตรความหนาแน่นยังได้รับ มีการอธิบายวิธีการวัดผลการทดลอง
แนวคิดเรื่องความหนาแน่น
ขอเริ่มบทความด้วยการบันทึกสูตรความหนาแน่นของสสารโดยตรง หน้าตาเป็นแบบนี้:
ρ=m / V.
นี่คือมวลของร่างกายที่พิจารณา แสดงในระบบ SI หน่วยเป็นกิโลกรัม ในงานและในทางปฏิบัติ คุณยังสามารถค้นหาหน่วยการวัดอื่นๆ เช่น กรัมหรือตัน
สัญลักษณ์ V ในสูตรแสดงถึงปริมาตรที่กำหนดพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตของร่างกาย มีหน่วยวัดในหน่วย SI เป็นลูกบาศก์เมตร อย่างไรก็ตาม ลูกบาศก์กิโลเมตร ลิตร มิลลิลิตร ฯลฯ ก็ถูกใช้เช่นกัน
สูตรความหนาแน่นแสดงมวลของสารที่มีอยู่ในหน่วยหนึ่งปริมาณ. เมื่อใช้ค่า ρ เราสามารถประมาณได้ว่าวัตถุใดในสองวัตถุจะมีน้ำหนักมากกว่าด้วยปริมาตรที่เท่ากัน หรือวัตถุใดในวัตถุทั้งสองจะมีปริมาตรมากกว่าและมีมวลเท่ากัน ตัวอย่างเช่น ไม้มีความหนาแน่นน้อยกว่าเหล็ก ดังนั้นด้วยปริมาณที่เท่ากันของสารเหล่านี้ มวลของเหล็กจะเกินค่าเดียวกันสำหรับต้นไม้อย่างมีนัยสำคัญ
แนวคิดของความหนาแน่นสัมพัทธ์
ชื่อจริงของปริมาณนี้บ่งชี้ว่าค่าภายใต้การศึกษาสำหรับเนื้อหาหนึ่งจะถือว่าสัมพันธ์กับคุณลักษณะที่คล้ายคลึงกันสำหรับอีกกลุ่มหนึ่ง สูตรสำหรับความหนาแน่นสัมพัทธ์ ρr มีลักษณะดังนี้:
ρr=ρs / ρ0.
โดยที่ ρs คือความหนาแน่นของวัสดุที่วัด ρ0 คือความหนาแน่นเทียบกับค่า ρ r ถูกวัด เห็นได้ชัดว่า ρr ไม่มีมิติ มันแสดงให้เห็นว่าสารที่วัดได้มีความหนาแน่นมากกว่ามาตรฐานที่เลือกกี่ครั้ง
สำหรับของเหลวและของแข็ง ตามมาตรฐาน ρ0 เลือกค่านี้สำหรับน้ำกลั่นที่อุณหภูมิ 4 oC อุณหภูมินี้เองที่ทำให้น้ำมีความหนาแน่นสูงสุด ซึ่งเป็นค่าที่สะดวกสำหรับการคำนวณ - 1000 kg/m3 หรือ 1 kg/l.
สำหรับระบบแก๊ส เป็นเรื่องปกติที่จะใช้ความหนาแน่นของอากาศที่ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิ 0 ตามมาตรฐาน oC.
ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของความดันและอุณหภูมิ
ค่าที่ศึกษาไม่คงที่สำหรับตัวใดตัวหนึ่งถ้าคุณเปลี่ยนอุณหภูมิหรือความดันภายนอก อย่างไรก็ตาม ของเหลวและของแข็งไม่สามารถบีบอัดได้ในหลาย ๆ สถานการณ์ หมายความว่าความหนาแน่นยังคงที่เมื่อความดันเปลี่ยนแปลงตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
อิทธิพลของความดันแสดงออกมาดังนี้ เมื่อเพิ่มขึ้น ระยะห่างระหว่างอะตอมและระหว่างโมเลกุลโดยเฉลี่ยจะลดลง ซึ่งจะเป็นการเพิ่มจำนวนโมลของสารต่อหน่วยปริมาตร ความหนาแน่นจึงเพิ่มขึ้น อิทธิพลที่ชัดเจนของแรงกดดันต่อคุณลักษณะภายใต้การศึกษาสังเกตได้ในกรณีของก๊าซ
อุณหภูมิมีผลตรงกันข้ามกับความดัน เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์ของอนุภาคสสารจะเพิ่มขึ้น พวกมันเริ่มเคลื่อนไหวอย่างแข็งขันมากขึ้น ซึ่งทำให้ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างพวกมันเพิ่มขึ้น ข้อเท็จจริงประการหลังทำให้ความหนาแน่นลดลง
อีกครั้ง ผลกระทบนี้เด่นชัดสำหรับก๊าซมากกว่าของเหลวและของแข็ง มีข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ - นี่คือน้ำ มีการทดลองแล้วว่าในช่วงอุณหภูมิ 0-4 oС ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นตามความร้อน
เนื้อเดียวกันและไม่เท่ากัน
สูตรความหนาแน่นที่เขียนด้านบนนี้สอดคล้องกับค่าเฉลี่ย ρ สำหรับร่างกายที่พิจารณา หากเราจัดสรรปริมาณเล็กน้อยในนั้น ค่าที่คำนวณได้ ρi อาจแตกต่างอย่างมากจากค่าก่อนหน้า ความจริงข้อนี้เกี่ยวข้องกับการมีการกระจายมวลเหนือปริมาตรที่ไม่สม่ำเสมอ ในกรณีนี้ความหนาแน่นρi เรียกว่า local.
เมื่อพิจารณาถึงประเด็นการกระจายตัวที่ไม่สม่ำเสมอ ดูเหมือนว่าน่าสนใจที่จะชี้แจงประเด็นหนึ่ง เมื่อเราเริ่มพิจารณาปริมาตรเบื้องต้นที่ใกล้เคียงกับมาตราส่วนอะตอม แนวคิดเรื่องความต่อเนื่องของสื่อจะถูกละเมิด ซึ่งหมายความว่าไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะใช้คุณลักษณะความหนาแน่นเฉพาะที่ เป็นที่ทราบกันว่ามวลอะตอมเกือบทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส ซึ่งมีรัศมีประมาณ 10-13 เมตร ความหนาแน่นของแกนกลางประมาณการด้วยตัวเลขขนาดใหญ่ นี่คือ 2, 31017 kg/m3.
การวัดความหนาแน่น
ดังแสดงไว้ข้างต้นว่าตามสูตร ความหนาแน่นเท่ากับอัตราส่วนของมวลต่อปริมาตร ข้อเท็จจริงนี้ทำให้เราสามารถกำหนดลักษณะเฉพาะได้ด้วยการชั่งน้ำหนักร่างกายและการวัดพารามิเตอร์ทางเรขาคณิต
หากรูปร่างของร่างกายซับซ้อนมาก วิธีการทั่วไปในการกำหนดความหนาแน่นจะเป็นการชั่งน้ำหนักแบบไฮโดรสแตติก มันขึ้นอยู่กับการใช้กำลังของอาร์คิมีดีน สาระสำคัญของวิธีการนั้นง่าย ร่างกายจะชั่งน้ำหนักในอากาศก่อนแล้วจึงแช่ในน้ำ ความแตกต่างของน้ำหนักใช้ในการคำนวณความหนาแน่นที่ไม่รู้จัก เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้ใช้สูตรต่อไปนี้:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
ที่ P0, Pl - น้ำหนักตัวในอากาศและของเหลว ดังนั้น ρl คือความหนาแน่นของของเหลว
วิธีการชั่งน้ำหนักอุทกสถิตเพื่อกำหนดความหนาแน่นตามตำนาน ถูกใช้ครั้งแรกโดยนักปรัชญาจากเมืองซีราคิวส์อาร์คิมิดีส. เขาสามารถโดยไม่ละเมิดความสมบูรณ์ทางกายภาพของมงกุฎ เพื่อตัดสินว่าไม่เพียงแต่ทองคำ แต่โลหะอื่นๆ ที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าก็ถูกนำมาใช้ทำมันด้วย