Плотность

Плотность
Размерность L−3 M
Единицы измерения
СИ кг/м³
СГС г/см³
Примечания
скалярная величина

Пло́тность — скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму[1].

Для обозначения плотности обычно используется греческая буква ρ (ро) (происхождение обозначения подлежит уточнению), иногда используются также латинские буквы D и d (от лат. densitas — «плотность»).

Более точное определение плотности требует уточнение формулировки:

  • Средняя плотность тела — отношение массы тела к его объёму. Для однородного тела она также называется просто плотностью тела.
  • Плотность вещества — это плотность однородного или равномерно неоднородного тела, состоящего из этого вещества.
  • Плотность тела в точке — это предел отношения массы малой части тела (), содержащей эту точку, к объёму этой малой части (), когда этот объём стремится к нулю[2], или, записывая кратко, . При таком предельном переходе необходимо помнить, что на атомарном уровне любое тело неоднородно, поэтому необходимо остановиться на объёме, соответствующем используемой физической модели.

Поскольку масса в теле может быть распределена неравномерно, более адекватная модель определяет плотность в каждой точке тела как производную массы по объёму. Если учитывать точечные массы, то плотность можно определить как меру, либо как производную Радона—Никодима по отношению к некоторой опорной мере.


Виды плотности и единицы измерения

Исходя из определения плотности, её размерность представляет собой кг/м³ в СИ и г/см³ в системе СГС.

Для сыпучих и пористых тел различают:

  • истинную плотность, определяемую без учёта пустот;
  • удельную (кажущуюся) плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму. Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины коэффициента пористости — доли объёма пустот в занимаемом объёме. Для сыпучих тел удельная плотность называется насыпно́й плотностью.

Формула нахождения плотности

Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) находится по формуле:

где m — масса тела, V — его объём; формула является просто математической записью определения термина «плотность», данного выше.

где М — молярная масса газа,  — молярный объём (при нормальных условиях приближённо равен 22,4 л/моль).

Плотность тела в точке записывается как

тогда масса неоднородного тела (тела с плотностью, зависящей от координат) рассчитывается как

Зависимость плотности от температуры

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность в определённом диапазоне температур ведёт себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого значения.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, висмут и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, так как их плотность при затвердевании уменьшается.

Диапазон плотностей в природе

Для различных природных объектов плотность меняется в очень широком диапазоне.

Плотности астрономических объектов

Средняя плотность небесных тел Солнечной
системы (в г/см³)[4][5][6]
Сатурн (планета)Уран (планета)Юпитер (планета)СолнцеНептун (планета)Плутон (планета)Марс (планета)Венера (планета)Меркурий (планета)ЗемляВода
  • Средние плотности небесных тел Солнечной системы см. на врезке.
  • Межпланетная среда в Солнечной системе достаточно неоднородна и может меняться во времени, её плотность в окрестностях Земли ~10−21÷10−20 кг/м³.
  • Плотность межзвёздной среды ~10−23÷10−21 кг/м³.
  • Плотность межгалактической среды 2×10−34÷5×10−34 кг/м³.
  • Средняя плотность красных гигантов на много порядков меньше из-за того, что их радиус в сотни раз больше, чем у Солнца.
  • Плотность белых карликов 108÷1012 кг/м³
  • Плотность нейтронных звёзд имеет порядок 1017÷1018 кг/м³.
  • Средняя (по объёму под горизонтом событий) плотность чёрной дыры зависит от её массы и выражается формулой:
Средняя плотность падает обратно пропорционально квадрату массы чёрной дыры (ρ~M−2). Так, если чёрная дыра с массой порядка солнечной обладает плотностью около 1019 кг/м³, превышающей ядерную плотность (2×1017 кг/м³), то сверхмассивная чёрная дыра с массой в 109 солнечных масс (существование таких чёрных дыр предполагается в квазарах) обладает средней плотностью около 20 кг/м³, что существенно меньше плотности воды (1000 кг/м³).

Плотности некоторых газов

Плотность газов, кг/м³ при НУ.
Азот 1,250 Кислород 1,429
Аммиак 0,771 Криптон 3,743
Аргон 1,784 Ксенон 5,851
Водород 0,090 Метан 0,717
Водяной пар (100 °C) 0,598 Неон 0,900
Воздух 1,293 Радон 9,81
Гексафторид вольфрама 12,9 Углекислый газ 1,977
Гелий 0,178 Хлор 3,164
Дициан 2,38 Этилен 1,260

Плотности некоторых жидкостей

Плотность жидкостей, кг/м³
Бензин 710 Молоко 1040
Вода (4 °C) 1000 Ртуть (0 °C) 13600
Керосин 820 Эфир 720
Глицерин 1260 Спирт 800
Морская вода 1030 Скипидар 860
Масло оливковое 920 Ацетон 792
Масло моторное 910 Серная кислота 1840
Нефть 550—1050 Жидкий водород (−253 °C) 70

Плотность некоторых пород древесины

Плотность древесины, г/см³
Бальса 0,15 Пихта сибирская 0,39
Секвойя вечнозелёная 0,41 Ель 0,45
Ива 0,46 Ольха 0,49
Осина 0,51 Сосна 0,52
Липа 0,53 Конский каштан 0,56
Каштан съедобный 0,59 Кипарис 0,60
Черёмуха 0,61 Лещина 0,63
Грецкий орех 0,64 Берёза 0,65
Вишня 0,66 Вяз гладкий 0,66
Лиственница 0,66 Клён полевой 0,67
Тиковое дерево 0,67 Бук 0,68
Груша 0,69 Дуб 0,69
Свитения (Махагони) 0,70 Платан 0,70
Жостер (крушина) 0,71 Тис 0,75
Ясень 0,75 Слива 0,80
Сирень 0,80 Боярышник 0,80
Пекан (кария) 0,83 Сандаловое дерево 0,90
Самшит 0,96 Эбеновое дерево 1,08
Квебрахо 1,21 Бакаут 1,28
Пробка 0,20

Плотность некоторых металлов

Значения плотности металлов могут изменяться в весьма широких пределах: от наименьшего значения у лития, который легче воды, до наибольшего значения у осмия, который тяжелее золота и платины.

Плотность металлов, г/см³
Осмий 22,61[7] Родий 12,41[8] Хром 7,19[9]
Иридий 22,56[10] Палладий 12,02[11] Германий 5,32[12]
Плутоний 19,84[13] Свинец 11,35[14] Алюминий 2,70[15]
Платина 19,59[16] Серебро 10,50[17] Бериллий 1,85[18]
Тантал 19,30[19] Медь 8,94[20] Цезий 1,84[21]
Золото 19,30[14] Никель 8,91[22] Рубидий 1,53[23]
Уран 19,05[24] Кобальт 8,86[25] Натрий 0,97[26]
Ртуть 13,53[27] Железо 7,87[28] Калий 0,86[29]
Рутений 12,45[30] Марганец 7,44[31] Литий 0,53[32]

Измерение плотности

Для измерений плотности используются:

См. также

Видеоурок: плотность вещества

Примечания

  1. Существуют также поверхностная плотность (отношение массы к площади) и линейная плотность (отношение массы к длине), применяемые соответственно к плоским (двумерным) и вытянутым (одномерным) объектам.
  2. Подразумевается также, что область стягивается к точке, то есть, не только её объём стремится к нулю (что могло бы быть не только при стягивании области к точке, но, например, к отрезку), но также стремится к нулю и её диаметр (максимальный линейный размер).
  3. Агекян Т. А.  Расширение Вселенной. Модель Вселенной // Звёзды, галактики, Метагалактика. 3-е изд. / Под ред. А. Б. Васильева. — М.: Наука, 1982. — 416 с. — С. 249.
  4. Planetary Fact Sheet (англ.)
  5. Sun Fact Sheet (англ.)
  6. Stern, S. A.; et al. (2015). “The Pluto system: Initial results from its exploration by New Horizons”. Science. 350 (6258): 249—352. DOI:10.1126/science.aad1815.
  7. Krebs, 2006, p. 158.
  8. Krebs, 2006, p. 136.
  9. Krebs, 2006, p. 96.
  10. Krebs, 2006, p. 160.
  11. Krebs, 2006, p. 138.
  12. Krebs, 2006, p. 198.
  13. Krebs, 2006, p. 319.
  14. 1 2 Krebs, 2006, p. 165.
  15. Krebs, 2006, p. 179.
  16. Krebs, 2006, p. 163.
  17. Krebs, 2006, p. 141.
  18. Krebs, 2006, p. 67.
  19. Krebs, 2006, p. 151.
  20. Krebs, 2006, p. 111.
  21. Krebs, 2006, p. 60.
  22. Krebs, 2006, p. 108.
  23. Krebs, 2006, p. 57.
  24. Krebs, 2006, p. 313.
  25. Krebs, 2006, p. 105.
  26. Krebs, 2006, p. 50.
  27. Krebs, 2006, p. 168.
  28. Krebs, 2006, p. 101.
  29. Krebs, 2006, p. 54.
  30. Krebs, 2006, p. 134.
  31. Krebs, 2006, p. 98.
  32. Krebs, 2006, p. 47.

Литература

Ссылки