Masa y densidad. ¿Cómo se mide la densidad de un material? Densidad de diversos materiales ¿Cómo se mide la densidad del agua?
En muchas industrias, así como en la construcción y agricultura Se utiliza el concepto de "densidad del material". Esta es una cantidad calculada que es la relación entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa. Conociendo este parámetro, por ejemplo, para el hormigón, los constructores pueden calcular la cantidad necesaria al verter diversas estructuras de hormigón armado: bloques de construcción, techos, paredes monolíticas, columnas, sarcófagos protectores, piscinas, compuertas y otros objetos.
Cómo determinar la densidad
Es importante tener en cuenta que al determinar la densidad de los materiales de construcción, se pueden utilizar tablas de referencia especiales que dan estos valores para diversas sustancias. También se han desarrollado métodos y algoritmos de cálculo que permiten obtener dichos datos en la práctica si no hay acceso a materiales de referencia.
La densidad está determinada por:
- cuerpos líquidos con un hidrómetro (por ejemplo, el conocido proceso de medir los parámetros del electrolito de una batería de automóvil);
- Sustancias sólidas y líquidas utilizando una fórmula con datos iniciales conocidos de masa y volumen.
Todos los cálculos independientes, por supuesto, tendrán imprecisiones, porque es difícil determinar de forma fiable el volumen si el cuerpo tiene una forma irregular.
Errores en las mediciones de densidad.
- El error es sistemático. Aparece constantemente o puede cambiar según una determinada ley en el proceso de varias mediciones del mismo parámetro. Asociado al error de la escala del instrumento, la baja sensibilidad del dispositivo o el grado de precisión de las fórmulas de cálculo. Entonces, por ejemplo, al determinar la masa corporal usando pesas e ignorando el efecto de la fuerza de flotación, los datos se obtienen aproximados.
- El error es aleatorio. Se debe a razones entrantes y tiene diferentes efectos en la confiabilidad de los datos que se determinan. cambio de temperatura ambiente, presión atmosférica, vibraciones de la habitación, radiación invisible y vibraciones del aire: todo esto se refleja en las mediciones. Es imposible evitar por completo tal influencia.
- Error al redondear valores. Al obtener datos intermedios en el cálculo de fórmulas, los números suelen tener muchas cifras significativas después del punto decimal. La necesidad de limitar el número de estos caracteres implica la aparición de un error. Esta inexactitud se puede reducir parcialmente dejando en los cálculos intermedios varios órdenes de magnitud más de los requeridos por el resultado final.
- Los errores por negligencia (fallos) surgen debido a cálculos erróneos, inclusión incorrecta de los límites de medición o del dispositivo en su conjunto e ilegibilidad de los registros de control. Los datos obtenidos de esta manera pueden diferir marcadamente de cálculos realizados de manera similar. Por lo tanto, conviene retirarlos y volver a realizar el trabajo.
Medición de densidad real
Al considerar la densidad de un material de construcción, es necesario tener en cuenta su valor real. Es decir, cuando la estructura de una sustancia de una unidad de volumen no contiene conchas, huecos e inclusiones extrañas. En la práctica, no existe una uniformidad absoluta cuando, por ejemplo, se vierte hormigón en un molde. Para determinar su resistencia real, que depende directamente de la densidad del material, se realizan las siguientes operaciones:
- La estructura se tritura hasta obtener un estado de polvo. En esta etapa, se eliminan los poros.
- Seque a temperaturas superiores a 100 grados y elimine cualquier resto de humedad de la muestra.
- Enfriar a temperatura ambiente y pasar por un tamiz fino con tamaño de malla de 0,20 x 0,20 mm, dándole uniformidad al polvo.
- La muestra resultante se pesa en una balanza electrónica de alta precisión. El volumen se calcula en un volumétrico sumergiéndolo en una estructura líquida y midiendo el líquido desplazado (análisis picnométrico).
El cálculo se realiza según la fórmula:
donde m es la masa de la muestra en g;
V es el valor del volumen en cm3.
A menudo se aplica la medición de la densidad en kg/m 3.
Densidad media del material
Para determinar cómo se comportan los materiales de construcción en condiciones reales de funcionamiento bajo la influencia de la humedad, temperaturas positivas y negativas y cargas mecánicas, es necesario utilizar promedio densidad. Caracteriza el estado físico de los materiales.
Si la densidad verdadera es un valor constante y depende sólo de composición química y la estructura de la red cristalina de la sustancia, entonces la densidad promedio está determinada por la porosidad de la estructura. Representa la relación entre la masa de un material en estado homogéneo y el volumen de espacio ocupado en condiciones naturales.
La densidad promedio le da al ingeniero una idea de la resistencia mecánica, la tasa de absorción de humedad, el coeficiente de conductividad térmica y otros factores importantes utilizados en la construcción de los elementos.
El concepto de densidad aparente.
Introducido para el análisis de materiales de construcción a granel (arena, grava, arcilla expandida, etc.). El indicador es importante para calcular el uso rentable de ciertos componentes de una mezcla de construcción. Muestra la relación entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa en un estado de estructura suelta.
Por ejemplo, si se conocen la forma granular del material y la densidad promedio de los granos, entonces es fácil determinar el parámetro de vacío. A la hora de producir hormigón, es más recomendable utilizar un relleno (grava, piedra triturada, arena) que tenga menos porosidad de la sustancia seca, ya que para rellenarlo se utilizará el material base cemento, lo que encarecerá el coste.
Indicadores de densidad de algunos materiales.
Si tomamos los datos calculados de algunas tablas, entonces en ellas:
- Los materiales que contienen óxidos de calcio, silicio y aluminio varían de 2400 a 3100 kg por m 3.
- Especies de madera a base de celulosa: 1550 kg por m 3.
- Materias orgánicas (carbono, oxígeno, hidrógeno): 800-1400 kg por m 3.
- Metales: acero - 7850, aluminio - 2700, plomo - 11300 kg por m 3.
En tecnologías modernas En la construcción de edificios, el indicador de densidad del material es importante en términos de la resistencia de las estructuras de carga. Todas las funciones de aislamiento térmico y de protección contra la humedad se realizan mediante materiales de baja densidad con una estructura de celda cerrada.
Coloquemos sobre la balanza cilindros de hierro y aluminio del mismo volumen. El equilibrio de la balanza se ha alterado. ¿Por qué?
El desequilibrio significa que las masas de los cuerpos no son las mismas. La masa del cilindro de hierro es mayor que la masa del de aluminio. Pero los volúmenes de los cilindros son iguales. Esto significa que una unidad de volumen (1 cm3 o 1 m3) de hierro tiene una masa mayor que la del aluminio.
La masa de una sustancia contenida en una unidad de volumen se llama densidad de la materia.
Para encontrar la densidad, debes dividir la masa de una sustancia por su volumen. La densidad se indica con la letra griega. ρ (ro). Entonces
densidad = masa/volumen,
ρ = metro/V .
La unidad SI de densidad es 1 kg/m3.. Las densidades de diversas sustancias se determinan experimentalmente y se presentan en la tabla:
| Sustancia | ρ, kg/m 3 | ρ, g/cm 3 |
|---|---|---|
| Sustancia en estado sólido a 20 °C. | ||
| Osmio | 22600 | 22,6 |
| Iridio | 22400 | 22,4 |
| Platino | 21500 | 21,5 |
| Oro | 19300 | 19,3 |
| Dirigir | 11300 | 11,3 |
| Plata | 10500 | 10,5 |
| Cobre | 8900 | 8,9 |
| Latón | 8500 | 8,5 |
| Acero hierro | 7800 | 7,8 |
| Estaño | 7300 | 7,3 |
| Zinc | 7100 | 7,1 |
| Hierro fundido | 7000 | 7,0 |
| Corundo | 4000 | 4,0 |
| Aluminio | 2700 | 2,7 |
| Mármol | 2700 | 2,7 |
| Vidrio de ventana | 2500 | 2,5 |
| Porcelana | 2300 | 2,3 |
| Concreto | 2300 | 2,3 |
| Sal de mesa | 2200 | 2,2 |
| Ladrillo | 1800 | 1,8 |
| Plexiglás | 1200 | 1,2 |
| caprón | 1100 | 1,1 |
| Polietileno | 920 | 0,92 |
| Parafina | 900 | 0,90 |
| Hielo | 900 | 0,90 |
| Roble (seco) | 700 | 0,70 |
| Pino (seco) | 400 | 0,40 |
| corcho | 240 | 0,24 |
| Líquido a 20 °C | ||
| Mercurio | 13600 | 13,60 |
| Ácido sulfúrico | 1800 | 1,80 |
| Glicerol | 1200 | 1,20 |
| Agua de mar | 1030 | 1,03 |
| Agua | 1000 | 1,00 |
| Aceite de girasol | 930 | 0,93 |
| aceite de máquina | 900 | 0,90 |
| Queroseno | 800 | 0,80 |
| Alcohol | 800 | 0,80 |
| Aceite | 800 | 0,80 |
| Acetona | 790 | 0,79 |
| Éter | 710 | 0,71 |
| Gasolina | 710 | 0,71 |
| Estaño líquido (en t= 400°C) | 6800 | 6,80 |
| Aire líquido (en t= -194°C) | 860 | 0,86 |
| Gas a 0 °C | ||
| Cloro | 3,210 | 0,00321 |
| Monóxido de carbono (IV) (dióxido de carbono) | 1,980 | 0,00198 |
| Oxígeno | 1,430 | 0,00143 |
| Aire | 1,290 | 0,00129 |
| Nitrógeno | 1,250 | 0,00125 |
| Monóxido de carbono (II) (monóxido de carbono) | 1,250 | 0,00125 |
| Gas natural | 0,800 | 0,0008 |
| Vapor de agua (en t= 100°C) | 0,590 | 0,00059 |
| Helio | 0,180 | 0,00018 |
| Hidrógeno | 0,090 | 0,00009 |
¿Cómo entendemos que la densidad del agua es ρ = 1000 kg/m3? La respuesta a esta pregunta se desprende de la fórmula. Masa de agua en volumen. V= 1 m 3 es igual a metro= 1000 kilos.
De la fórmula de densidad, la masa de una sustancia.
metro = ρ V.
De dos cuerpos de igual volumen, el cuerpo con mayor densidad de materia tiene mayor masa.
Comparando las densidades del hierro ρ f = 7800 kg/m 3 y del aluminio ρ al = 2700 kg/m 3, entendemos por qué en el experimento la masa de un cilindro de hierro resultó ser mayor que la masa de un cilindro de aluminio del mismo volumen.
Si el volumen corporal se mide en cm 3, entonces para determinar la masa corporal es conveniente utilizar el valor de densidad ρ, expresado en g/cm 3.
Convertimos, por ejemplo, la densidad del agua de kg/m3 a g/cm3:
ρ pulg = 1000 kg/m 3 = 1000 \(\frac(1000~g)(1000000~cm^(3))\) = 1 g/cm3.
Entonces, el valor numérico de la densidad de cualquier sustancia, expresado en g/cm 3 , es 1000 veces menor que su valor numérico expresado en kg/m 3 .
Fórmula de densidad de la sustancia ρ = metro/V utilizado para cuerpos homogéneos, es decir, para cuerpos que consisten en una sustancia. Se trata de cuerpos que no tienen cavidades de aire ni contienen impurezas de otras sustancias. La pureza de la sustancia está determinada por la densidad medida. ¿Se añade, por ejemplo, algún metal barato dentro de una barra de oro?
Como regla general, una sustancia en estado sólido tiene una densidad mayor que en estado líquido. Una excepción a esta regla es el hielo y el agua, que consisten en moléculas de H 2 O. La densidad del hielo es ρ = 900 kg 3, la densidad del agua es ρ = 1000 kg 3. La densidad del hielo es menor que la del agua, lo que indica que las moléculas están menos densamente empaquetadas (es decir, largas distancias entre ellos) en estado sólido de la materia (hielo) que en estado líquido (agua). En el futuro, encontraréis otras anomalías (anomalías) muy interesantes en las propiedades del agua.
La densidad media de la Tierra es de aproximadamente 5,5 g/cm 3 . Este y otros hechos conocidos por la ciencia nos permitieron sacar algunas conclusiones sobre la estructura de la Tierra. El espesor medio de la corteza terrestre es de unos 33 km. La corteza terrestre está compuesta principalmente de suelo y rocas. La densidad media de la corteza terrestre es de 2,7 g/cm 3, y la densidad de las rocas que se encuentran directamente debajo la corteza terrestre, - 3,3 g/cm 3 . Pero ambos valores son inferiores a 5,5 g/cm 3, es decir, menos que la densidad media de la Tierra. De ello se deduce que la densidad de la sustancia ubicada en las profundidades. globo, mayor que la densidad media de la Tierra. Los científicos sugieren que en el centro de la Tierra la densidad de la sustancia alcanza los 11,5 g/cm 3, es decir, se acerca a la densidad del plomo.
La densidad media del tejido del cuerpo humano es de 1036 kg/m3, la densidad de la sangre (en t= 20 °C) - 1050 kg/m3.
La madera tiene una densidad baja (2 veces menos que el corcho) balsa. De él se fabrican balsas y salvavidas. Un árbol crece en Cuba Eshinomena de pelo espinoso, cuya madera tiene una densidad 25 veces menor que la densidad del agua, es decir, ρ ≈ 0,04 g/cm 3 . Densidad de madera muy alta árbol de serpiente. Un árbol se hunde en el agua como una piedra.
Finalmente, la leyenda de Arquímedes.
Ya durante la vida del famoso científico griego Arquímedes, se formaron leyendas sobre él, cuya razón fueron sus inventos que asombraron a sus contemporáneos. Una de las leyendas dice que el rey de Siracusa, Garza II, le pidió al pensador que determinara si su corona estaba hecha de oro puro o si el joyero mezcló en ella una cantidad significativa de plata. Por supuesto, la corona tenía que permanecer intacta. A Arquímedes no le resultó difícil determinar la masa de la corona. Mucho más difícil fue medir con precisión el volumen de la corona para calcular la densidad del metal del que estaba hecha y determinar si era oro puro. ¡La dificultad era que tenía la forma equivocada!
Un día, Arquímedes, absorto en sus pensamientos sobre la corona, se estaba bañando y se le ocurrió una brillante idea. El volumen de la corona se puede determinar midiendo el volumen de agua desplazada por ella (está familiarizado con este método de medir el volumen de un cuerpo Forma irregular). Habiendo determinado el volumen de la corona y su masa, Arquímedes calculó la densidad de la sustancia con la que el joyero hizo la corona.
Según cuenta la leyenda, la densidad de la sustancia de la corona resultó ser menor que la densidad del oro puro, y el joyero deshonesto fue sorprendido en el engaño.
Todo lo que nos rodea se compone de diferentes sustancias. Los barcos y las casas de baños se construyen con madera, las planchas y los catres se fabrican con hierro, los neumáticos sobre ruedas y las gomas de borrar de los lápices se fabrican con caucho. Y diferentes objetos tienen peso diferente- Cualquiera de nosotros puede traer fácilmente un melón maduro y jugoso del mercado, pero tendremos que sudar por un peso del mismo tamaño.
Todos recuerdan el famoso chiste: “¿Cuál pesa más? ¿Un kilogramo de clavos o un kilogramo de pelusa? Ya no caeremos en este truco infantil, sabemos que el peso de ambos será el mismo, pero el volumen será sensiblemente diferente. Entonces, ¿por qué sucede esto? Por qué diferentes cuerpos¿Y las sustancias tienen diferentes pesos con el mismo tamaño? ¿O viceversa, el mismo peso con diferentes tallas? Evidentemente, existe alguna característica por la que las sustancias son tan diferentes entre sí. En física, esta característica se llama densidad de la materia y se enseña en séptimo grado.
Densidad de una sustancia: definición y fórmula.
La definición de densidad de una sustancia es la siguiente: la densidad muestra cuál es la masa de una sustancia en una unidad de volumen, por ejemplo, en un metro cúbico. Entonces, la densidad del agua es de 1000 kg/m3 y la del hielo es de 900 kg/m3, razón por la cual el hielo es más liviano y se encuentra encima de los embalses en invierno. Es decir, ¿qué nos muestra la densidad de la materia en este caso? Una densidad del hielo de 900 kg/m3 significa que un cubo de hielo con lados de 1 metro pesa 900 kg. Y la fórmula para determinar la densidad de una sustancia es la siguiente: densidad = masa/volumen. Las cantidades incluidas en esta expresión se designan de la siguiente manera: masa - m, volumen del cuerpo - V, y la densidad se designa con la letra ρ (letra griega "rho"). Y la fórmula se puede escribir de la siguiente manera:
Cómo encontrar la densidad de una sustancia.
¿Cómo encontrar o calcular la densidad de una sustancia? Para ello es necesario conocer el volumen y el peso corporal. Es decir, medimos la sustancia, la pesamos y luego simplemente sustituimos los datos obtenidos en la fórmula y encontramos el valor que necesitamos. Y cómo se mide la densidad de una sustancia se desprende de la fórmula. Se mide en kilogramos por metro cúbico. En ocasiones también utilizan un valor como gramos por centímetro cúbico. Convertir un valor a otro es muy sencillo. 1 g = 0,001 kg y 1 cm3 = 0,000001 m3. En consecuencia, 1 g/(cm)^3 = 1000 kg/m^3. También hay que recordar que la densidad de una sustancia es diferente en diferentes estados de agregación. Es decir, en forma sólida, líquida o gaseosa. La densidad de los sólidos suele ser mayor que la densidad de los líquidos y mucho mayor que la densidad de los gases. Quizás una excepción muy útil para nosotros sea el agua, que, como ya hemos considerado, pesa menos en estado sólido que en estado líquido. Es gracias a esta extraña característica del agua que la vida es posible en la Tierra. La vida en nuestro planeta, como sabemos, se originó en los océanos. Y si el agua se comportara como todas las demás sustancias, entonces el agua de los mares y océanos se congelaría y el hielo, al ser más pesado que el agua, se hundiría hasta el fondo y permanecería allí sin derretirse. Y sólo en el ecuador, en una pequeña columna de agua, existiría vida en forma de varias especies de bacterias. Entonces podemos decir gracias al agua por nuestra existencia.
Los cuerpos que nos rodean están formados por diversas sustancias: hierro, madera, caucho, etc. La masa de cualquier cuerpo depende no sólo de su tamaño, sino también de la sustancia que lo compone. Los cuerpos del mismo volumen, compuestos de diferentes sustancias, tienen diferentes masas. Por ejemplo, al pesar dos cilindros hechos de diferentes sustancias: aluminio y plomo, veremos que la masa del cilindro de aluminio es menor que la masa del cilindro de plomo.
Al mismo tiempo, los cuerpos con la misma masa, compuestos de diferentes sustancias, tienen diferentes volúmenes. Así, una barra de hierro que pesa 1 tonelada ocupa un volumen de 0,13 m 3 y el hielo que pesa 1 tonelada ocupa un volumen de 1,1 m 3. El volumen del hielo es casi 9 veces mayor que el volumen de una barra de hierro. Es decir, diferentes sustancias pueden tener diferentes densidades.
De ello se deduce que los cuerpos con el mismo volumen, compuestos de diferentes sustancias, tienen diferentes masas.
La densidad muestra la masa de una sustancia tomada en un volumen determinado. Es decir, si se conoce la masa de un cuerpo y su volumen, se puede determinar la densidad. Para encontrar la densidad de una sustancia, es necesario dividir la masa de un cuerpo por su volumen.
La densidad de una misma sustancia en estado sólido, líquido y gaseoso es diferente.
Las densidades de algunos sólidos, líquidos y gases se dan en tablas.
Densidades de algunos sólidos (a presión atmosférica normal, t = 20°C).
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Sólido |
ρ , kg/m 3 |
ρ , gramos/cm3 |
Sólido |
ρ , kg/m 3 |
ρ , gramos/cm3 |
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Vidrio de ventana |
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Pino (seco) |
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Plexiglás |
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azúcar refinada |
Polietileno |
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Roble (seco) |
Densidades de algunos líquidos (a presión atmosférica normal t = 20 ° C).
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Líquido |
ρ , kg/m 3 |
ρ , gramos/cm3 |
Líquido |
ρ , kg/m 3 |
ρ , gramos/cm3 |
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|
el agua esta limpia |
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Leche entera |
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Aceite de girasol |
Estaño líquido (en t= 400°C) |
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aceite de máquina |
Aire líquido (en t= -194°C) |
Entre todas las demás sustancias del planeta Tierra, los gases tienen la densidad más baja. Los líquidos, por regla general, se caracterizan por una mayor densidad que ellos, y el valor máximo de este indicador se puede encontrar en los sólidos. Por ejemplo, se considera que el osmio es el metal más denso.
Medición de densidad
Para medir la densidad, así como otras áreas temáticas de este concepto, se adoptó una unidad de medida compleja especial, basada en la relación de la densidad con la masa y el volumen de una sustancia. Así, en el sistema internacional de unidades de medida SI, la unidad utilizada para describir la densidad de una sustancia es el kilogramo por metro cúbico, que normalmente se denota como kg/m³.Sin embargo, en el caso de volúmenes muy pequeños de una sustancia para la que es necesario medir la densidad, se utiliza una derivada de esta unidad generalmente aceptada, expresada en gramos por centímetro cúbico. En forma abreviada, esta unidad suele denominarse g/cm³.
Además, la densidad de diversas sustancias tiende a cambiar en función de la temperatura: en la mayoría de los casos, una disminución de la temperatura conlleva un aumento de la densidad de la sustancia. Así, por ejemplo, el aire ordinario a una temperatura de +20°C tiene una densidad igual a 1,20 kg/m³, mientras que cuando la temperatura baja a 0°C su densidad aumentará a 1,29 kg/m³, y con una disminución adicional a -50°C la densidad del aire alcanzará 1,58 kg/m³. Al mismo tiempo, algunas sustancias son una excepción a esta regla, ya que el cambio en su densidad no sigue el patrón especificado: esto incluye, por ejemplo, el agua.
Se utilizan varios instrumentos físicos para medir la densidad de sustancias. Por ejemplo, la densidad de un líquido se puede medir con un hidrómetro y, para determinar la densidad de una sustancia sólida o gaseosa, se puede utilizar un picnómetro.
