Пло́тность — скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму. Более строгое 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 тел, состоящих из этого вещества. Отсюда вытекает и короткая формулировка определения плотности вещества: плотность вещества — это масса его единичного объёма.
- 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[1], 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.
Виды плотности и единицы измерения
Исходя из определения плотности, её размерность кг/м³ в системе СИ и в 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.
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.
- При вычисления плотности газов эта формула может быть записана и в виде:
- где М — молярная масса газа, — молярный объём (при нормальных условиях равен 22,4 л/моль).
Плотность тела в точке записывается как тогда масса неоднородного тела (тела с плотностью, зависящей от места) рассчитывается как
Зависимость плотности от температуры
Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность 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 числа.
При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Правда, вода является исключением из этого правила, её плотность при затвердевании уменьшается.
Диапазон плотностей в природе
Для различных природных объектов плотность меняется в очень широком диапазоне.
- Самую низкую плотность имеет межгалактическая среда (2·10−31÷5·10−31 кг/м³)[2].
- Плотность межзвёздной среды приблизительно равна 10−23÷10−21 кг/м³.
- Средняя плотность Солнца примерно в 1,5 раза выше плотности воды.
- Средняя плотность красных гигантов на много порядков меньше, чем у Солнца, из-за того, что их радиус в сотни раз больше.
- Средняя плотность Земли равна 5520 кг/м³.
- Жидкий водород при атмосферном давлении и температуре −253 °C имеет плотность 70 кг/м³.
- Плотность жидкого гелия при атмосферном давлении равна 130 кг/м³.
- Плотность пресной воды составляет 1000 кг/м³.
- Гранит имеет плотность 2600 кг/м³.
- Плотность железа равна 7874 кг/м³.
- Наибольшую плотность среди металлов имеет иридий (22 650 кг/м³).
- Плотность атомных ядер приблизительно равна 2·1017 кг/м³.
- Плотность белых карликов составляет 108÷1012 кг/м³.
- Плотность нейтронных звёзд имеет порядок 1017÷1018 кг/м³.
- Теоретически верхнюю границу представляет планковская плотность (современная физика оценивает её в 5,1·1096 кг/м³, хотя не исключено, что она очень сильно завышена).
Плотности астрономических объектов
Средние плотности планет Солнечной системы и Солнца:
Средняя плотность Солнца и планет (в г/см³)
[3][4]
- 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 от 2×10−34 до 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
- у чёрной дыры с массой порядка солнечной превышает ядерную плотность,
- у сверхмассивной чёрной дыры с массой в 109 солнечных масс (существование таких чёрных дыр подозревается в квазарах) оставляет около 20 кг/м³,
- у сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики может быть 0,2 кг/м³.
Плотности некоторых газов
Плотность газов и паров (0 °C, 101325 Па), кг/м³
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 |
Углекислый газ |
1,977 |
Хлор |
3,164 |
Гелий |
0,178 |
Этилен |
1,260 |
|
|
Плотности некоторых жидкостей
Плотность жидкостей, г/см³
Бензин |
0,74 |
Молоко |
1,04 |
Вода (4 °C) |
1,00 |
Ртуть (0 °C) |
13,60 |
Керосин |
0,82 |
Эфир |
0,72 |
Глицерин |
1,26 |
Спирт |
0,80 |
Морская вода |
1,03 |
Скипидар |
0,86 |
Масло оливковое |
0,92 |
Ацетон |
0,792 |
Масло машинное |
0,91 |
Серная кислота |
1,84 |
Нефть |
0,81—0,85 |
Жидкий водород (−253 °C) |
0,07 |
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 |
0,48 |
|
Измерение плотности
Для измерения плотности используются:
См. также
Примечания
- ↑ Подразумевается также, что область стягивается к точке, то есть, не только ее объем стремится к нулю (что могло бы быть не только при стягивании области к точке, но, например, к отрезку), но также стремится к нулю и ее диаметр (максимальный линейный размер).
- ↑ Агекян Т. А. Расширение Вселенной. Модель Вселенной. // Звёзды, галактики, Метагалактика / Под ред. А. Б. Васильева. — 3-е изд. — М.: Наука, 1982. — С. 249. — 416 с.
- Planetary Fact Sheet
- Sun Fact Sheet
Ссылки
- Видео: Эксперимент с маслом и алкоголем
- Видео: Эксперимент с виски и водой
- Плотность элементов (англ.)
- Плотность древесины (рус.)
- Онлайн интерактивная таблица плотности веществ (рус.)
Источники
- Большая советская энциклопедия
- Физическая энциклопедия под. ред. А. М. Прохорова. Москва. Научное издательство «Большая российская энциклопедия», 1992 г. Т.3, стр.637.