Después de que los estudiantes se familiaricen con el concepto de masa y volumen de las sustancias en física, estudian una característica importante de cualquier cuerpo, que se llama densidad. El siguiente artículo está dedicado a este valor. Las preguntas sobre el significado físico de la densidad se revelan a continuación. También se da la fórmula de la densidad. Se describen métodos para su medición experimental.
El concepto de densidad
Empecemos el artículo con un registro directo de la fórmula de la densidad de la materia. Tiene este aspecto:
ρ=metro / V.
Aquí m es la masa del cuerpo considerado. Se expresa en el sistema SI en kilogramos. En las tareas y en la práctica, también puede encontrar otras unidades de su medida, por ejemplo, gramos o toneladas.
El símbolo V en la fórmula denota el volumen que caracteriza los parámetros geométricos del cuerpo. Se mide en SI en metros cúbicos, sin embargo, también se utilizan kilómetros cúbicos, litros, mililitros, etc.
La fórmula de densidad muestra qué masa de una sustancia está contenida en una unidadvolumen. Usando el valor de ρ, se puede estimar cuál de los dos cuerpos tendrá un mayor peso con volúmenes iguales, o cuál de los dos cuerpos tendrá un volumen mayor con masas iguales. Por ejemplo, la madera es menos densa que el hierro. Por lo tanto, con volúmenes iguales de estas sustancias, la masa de hierro superará significativamente el mismo valor para un árbol.
El concepto de densidad relativa
El mismo nombre de esta cantidad indica que el valor en estudio para un cuerpo se considerará relativo a una característica similar para otro. La fórmula para la densidad relativa ρr se ve así:
ρr=ρs / ρ0.
Donde ρs es la densidad del material medido, ρ0 es la densidad contra la cual el valor ρ r se mide . Obviamente, ρr es adimensional. Muestra cuántas veces la sustancia medida es más densa que el estándar seleccionado.
Para líquidos y sólidos, como estándar ρ0 elija este valor para agua destilada a una temperatura de 4 oC. Es a esta temperatura que el agua tiene una densidad máxima, que es un valor conveniente para los cálculos - 1000 kg/m3 o 1 kg/l.
Para los sistemas de gas, se acostumbra utilizar la densidad del aire a presión atmosférica y temperatura 0 como estándar oC.
Dependencia de la densidad en la presión y la temperatura
El valor estudiado no es constante para un cuerpo en particular,si cambia su temperatura o presión externa. Sin embargo, los líquidos y los sólidos son incompresibles en muchas situaciones, lo que significa que su densidad permanece constante a medida que cambia la presión y la temperatura.
La influencia de la presión se manifiesta de la siguiente manera: cuando aumenta, disminuyen las distancias interatómicas e intermoleculares promedio, lo que aumenta el número de moles de una sustancia por unidad de volumen. Entonces la densidad está aumentando. En el caso de los gases se observa una clara influencia de la presión sobre la característica en estudio.
La temperatura tiene el efecto contrario a la presión. Con un aumento de la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas de materia, comienzan a moverse más activamente, lo que conduce a un aumento en las distancias promedio entre ellas. Este último hecho conduce a una disminución de la densidad.
Nuevamente, este efecto es más pronunciado para gases que para líquidos y sólidos. Hay una excepción a esta regla: esta es el agua. Se ha establecido experimentalmente que en el rango de temperatura 0-4 oС su densidad aumenta con el calentamiento.
Cuerpos homogéneos y no homogéneos
La fórmula de densidad escrita arriba corresponde al llamado promedio ρ para el cuerpo considerado. Si le asignamos un pequeño volumen, entonces el valor calculado ρi puede diferir mucho del valor anterior. Este hecho está relacionado con la presencia de una distribución no uniforme de masa sobre volumen. En este caso, la densidadρi se llama local.
Teniendo en cuenta el tema de la distribución no uniforme de la materia, parece interesante aclarar un punto. Cuando comenzamos a considerar un volumen elemental cercano a las escalas atómicas, se viola el concepto de continuidad del medio, lo que significa que no tiene sentido utilizar la característica de densidad local. Se sabe que casi toda la masa de un átomo se concentra en su núcleo, cuyo radio es de unos 10-13 metros. La densidad del núcleo se estima con una cifra enorme. Esto es 2, 31017 kg/m3.
Medición de densidad
Se demostró anteriormente que, de acuerdo con la fórmula, la densidad es igual a la relación entre la masa y el volumen. Este hecho nos permite determinar la característica especificada simplemente pesando el cuerpo y midiendo sus parámetros geométricos.
Si la forma del cuerpo es muy compleja, entonces el método universal para determinar la densidad será el pesaje hidrostático. Se basa en el uso de la fuerza de Arquímedes. La esencia del método es simple. Primero se pesa el cuerpo en el aire y luego en el agua. La diferencia de peso se utiliza para calcular la densidad desconocida. Para ello, utiliza la siguiente fórmula:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
donde P0, Pl - peso corporal en aire y líquido. En consecuencia, ρl es la densidad del líquido.
El método de pesaje hidrostático para determinar la densidad, según la leyenda, fue utilizado por primera vez por un filósofo de SiracusaArquímedes. Pudo, sin violar la integridad física de la corona, determinar que no solo se utilizó oro, sino también otros metales menos densos para hacerla.
