Różnica między gęstością a ciężarem właściwym

Gęstość i ciężar właściwy to dwie właściwości materii, które są ze sobą ściśle powiązane; Jednak nie są one takie same. Obie są intensywnymi właściwościami związanymi w taki czy inny sposób z masą i objętością substancji i obie mogą być wykorzystane do przewidywania wyporu różnych ciał w różnych płynach, ale mają też różnice, które sprawiają, że użycie jednej jest bardziej praktyczne niż drugiej drugi w określonych sytuacjach.

Następnie zobaczymy, czym jest gęstość i ciężar właściwy oraz zobaczymy najważniejsze cechy, które odróżniają jedną od drugiej.

Co to jest gęstość?

Gęstość materiału to jego masa na jednostkę objętości . Jest to intensywna właściwość charakterystyczna dla każdego materiału. W wielu dziedzinach wiedzy gęstość jest reprezentowana przez literę d ; jednak w niektórych naukach przyrodniczych, takich jak fizyka i chemia, a także w większości inżynierii, jest reprezentowany przez symbol ρ (mała grecka litera rho ).

Gęstość oblicza się za pomocą następującego wzoru:

gdzie ρ to gęstość, m to masa, a V to objętość materiału lub przedmiotu.

Jednostki gęstości

Jednostkami gęstości są [m]/[V] lub, co jest tożsame, [m]/[L] ³ . Niektóre przykłady jednostek gęstości w różnych układach jednostek to:

rodzaj skali

Gęstość to właściwość mierzona w skali bezwzględnej. Oznacza to, że jego wartość zaczyna się od 0 wzwyż, niezależnie od użytych jednostek, a jego wartość zależy tylko od danego materiału, a nie od jakiegokolwiek innego materiału lub systemu odniesienia.

Zależność gęstości od temperatury

Masa ciała jest niezależna od temperatury, ale jego objętość już nie. Większość materiałów rozszerza się wraz ze wzrostem temperatury. Kiedy tak się dzieje, gęstość, która jest podzielona przez objętość, maleje.

Istnieją jednak przykłady substancji, które kurczą się pod wpływem temperatury. Tak jest w przypadku wody. Ogólnie rzecz biorąc, gęstość wody maleje wraz ze wzrostem temperatury i rośnie wraz ze spadkiem temperatury. Jednak schładzając wodę, tuż przed punktem zamarzania, gęstość zamiast rosnąć, maleje. To wyjaśnia, dlaczego lód, który unosi się na powierzchni wody, ma mniejszą gęstość niż woda.

Zmierz instrument

Gęstość cieczy określa się za pomocą przyrządu zwanego piknometrem i wagi analitycznej. Piknometr pozwala na pomiar objętości z bardzo dużą dokładnością, a różnica między masą pełną i pustą wyznaczoną za pomocą wagi analitycznej pozwala na pomiar masy z równą precyzją i dokładnością.

Zastosowania gęstości

Gęstość jest używana do różnych typów obliczeń. Z jednej strony pozwala określić objętości lub masy dowolnej substancji, o ile znamy odpowiednio masę lub objętość.

Jest to przydatne do identyfikacji lub rozróżniania różnych materiałów. Będąc charakterystyczną właściwością materii, każdy materiał ma określoną gęstość w danej temperaturze.

Ma to ogromne znaczenie w mechanice płynów, ponieważ różnica między gęstością obiektu i płynu określa wypór tego pierwszego w drugim.

Co to jest ciężar właściwy?

Ciężar właściwy, zwany także gęstością względną, to stosunek gęstości substancji lub materiału do gęstości innego materiału odniesienia w tych samych warunkach doświadczalnych temperatury i ciśnienia . Często jest reprezentowana przez symbol SG (ciężar właściwy ) i podobnie jak gęstość jest charakterystyczną wielkością materiału w danej temperaturze.

Gęstość względna lub ciężar właściwy jest obliczany w różny sposób w zależności od tego, czy jest to materia skondensowana (ciała stałe lub ciecze), czy też gazy. W obu przypadkach ciężar właściwy mniejszy niż 1 oznacza, że ​​substancja będzie unosić się nad substancją odniesienia, podczas gdy ciężar właściwy większy niż jeden oznacza, że ​​będzie tonąć.

Ciężar właściwy ciał stałych lub cieczy

Gdy dany materiał jest ciałem stałym lub cieczą, jako odniesienie przyjmuje się gęstość wody w stanie ciekłym, zwykle w temperaturze, w której jej gęstość jest maksymalna, co odpowiada temperaturze 4°C. W tej temperaturze gęstość wody wynosi 1000 kg/m ³ . W tym przypadku ciężar właściwy wyraża się następującym wyrażeniem:

Ciężar właściwy gazu

Z drugiej strony, gdy materiałem, którego gęstość względna jest mierzona lub wyznaczana, jest gaz, materiałem odniesienia nie jest woda, ale powietrze w tych samych danych warunkach temperatury i ciśnienia. Innymi słowy, w tym przypadku ciężar właściwy jest określony wzorem:

Jednostki ciężaru właściwego

Najważniejszą cechą ciężaru właściwego w porównaniu z gęstością jest fakt, że będąc wielkością otrzymaną przez podzielenie dwóch gęstości, ciężar właściwy nie ma jednostek. Innymi słowy, jest to wielkość bezwymiarowa. Oznacza to, że jest to czysta liczba, której wartość będzie zawsze taka sama dla danej substancji w danej temperaturze i ciśnieniu, bez względu na to, w jakim systemie jednostek wyrażono pierwotne gęstości.

Innymi słowy, gęstość względna zapewnia skalę pomiaru gęstości, która jest niezależna od systemu jednostek, w którym wykonywane są wszystkie inne obliczenia. To sprawia, że ​​jest szczególnie przydatny do komunikowania się między zespołami inżynierów, którzy zwykle używają systemów jednostek spoza układu SI, z naukowcami lub specjalistami z innych dziedzin, którzy zwykle używają systemu metrycznego lub układu SI.

rodzaj skali

Ponieważ jest to stosunek gęstości substancji do gęstości substancji odniesienia, ciężar właściwy odpowiada wielkości względnej, a nie bezwzględnej. Innymi słowy, mówiąc, że np. ciężar właściwy rtęci wynosi 13,59, tak naprawdę mówimy, że jej gęstość jest 13,59 razy większa niż gęstość wody. Zauważ, że jest to gęstość w stosunku do gęstości wody, więc nie znając tej ostatniej, nie możemy poznać rzeczywistej gęstości rtęci.

Wartości gęstości odniesienia

Jak widać, obliczenie ciężaru właściwego zależy od gęstości materiału odniesienia, a to z kolei zależy od warunków temperaturowych i ciśnieniowych, w których ciężar właściwy jest mierzony lub obliczany. W przypadku ciał stałych i cieczy, ilekroć nie podano konkretnej temperatury, przyjmuje się, że SG jest ustalana na podstawie gęstości wody w temperaturze 4°C. W przypadku gazów, jeżeli nie określono warunków temperatury i ciśnienia, przyjmuje się gęstość w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia, czyli NTP, odpowiadających temperaturze 20 °C i ciśnieniu 1 atm, w którym to przypadku In w tym przypadku powietrze (suche) ma gęstość 1,204 kg/m ³ .

Poniższa tabela przedstawia te wartości odniesienia w różnych jednostkach:

Zależność ciężaru właściwego od temperatury

Będąc funkcją dwóch gęstości, które zmieniają się wraz z temperaturą, gęstość względna lub ciężar właściwy również zmienia się jako funkcja wspomnianej właściwości.

Jednak na ogół zmienność jest mniejsza niż zmienność gęstości bezwzględnej. Dzieje się tak, ponieważ, jak wspomniano powyżej, gęstość większości substancji zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, w tym wody dla większości temperatur, które nie mieszczą się w przedziale od 0 do 8 °C. Następnie, wraz ze wzrostem temperatury, zmniejsza się zarówno gęstość badanego materiału, jak i materiału odniesienia. Oznacza to, że zmiana w liczniku częściowo równoważy zmianę w mianowniku, zmniejszając wpływ temperatury na ciężar właściwy.

Zmierz instrument

Ciężar właściwy mierzy się eksperymentalnie za pomocą przyrządu zwanego areometrem. Składa się z ciężkiej bańki wyposażonej w trzonek, który ma skalę skalibrowaną zgodnie z substancją odniesienia, w większości przypadków wodą. Gdy bańka zostanie umieszczona w cieczy, będzie opadać, dopóki siła wyporu nie zrównoważy ciężaru areometru. Odczytu dokonuje się na skali w punkcie wystającym z powierzchni cieczy.

Zastosowania ciężaru właściwego

Bezpośrednią użytecznością ciężaru właściwego jest to, że jego wartość natychmiast wskazuje, czy materiał będzie unosił się w wodzie, czy w powietrzu, w zależności od tego, czy jest to odpowiednio ciało stałe i ciecz, czy gaz. W obu przypadkach, jeśli gęstość względna jest mniejsza niż jedność, materiał będzie miał mniejszą gęstość i będzie unosił się na wodzie i odwrotnie.

Innym bardzo powszechnym zastosowaniem SG jest jego związek ze stężeniem roztworów. W zależności od interakcji między substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem gęstość roztworu może różnić się od gęstości czystej wody i ogólnie gęstość ta zmienia się w zależności od stężenia. Zatem pomiar SG za pomocą areometru umożliwia określenie stężenia różnych roztworów.

Niektóre przykłady wykorzystania GP do tego celu to:

• Ocena paliwa.
• Oznaczanie zawartości alkoholu podczas fermentacji moszczów do produkcji piwa, wina i innych napojów alkoholowych.
• Ocena stężenia kwasu siarkowego w bateriach lub akumulatorach kwasowo-ołowiowych stosowanych powszechnie w samochodach benzynowych itp.

Jak określić gęstość na podstawie ciężaru właściwego

Ciężar właściwy można łatwo przeliczyć na gęstość bezwzględną, po prostu mnożąc ten pierwszy przez gęstość substancji odniesienia w wymaganych jednostkach:

Lub, w przypadku gazów:

W obu przypadkach bardzo dokładne tabele gęstości są zwykle dostępne dla szerokiego zakresu wartości ciśnienia i temperatury.

Podsumowanie różnic między gęstością a ciężarem właściwym

Poniższa tabela podsumowuje najważniejsze różnice między gęstością a ciężarem właściwym:

Bibliografia

gęstość vs. Ciężar właściwy i ciężar właściwy . (nd). Zestaw narzędzi inżynierskich. https://www.engineeringtoolbox.com/density-specific-weight-gravity-d_290.html

Różnica między gęstością a ciężarem właściwym . (2019, 5 czerwca). Mechanizm różnicowy. https://diferenciario.com/densidad-y-gravedad-especifica/

Różnica między gęstością a ciężarem właściwym . (2021, 22 marca). BYJUS. https://byjus.com/physics/difference-between-density-and-specific-gravity/

Giner, S. (2020, 18 sierpnia). Areometr lub areometr . Pianka 2D2D. https://www.2d2dspuma.com/blog/que-es/hidrometro/

Libretexty. (2020, 13 sierpnia). 1.14: Gęstość i ciężar właściwy . Chemia LibreTexts. https://chem.libretexts.org/Courses/Saint_Francis_University/CHEM_113%3A_Human_Chemistry_I_(Muino)/01%3A_Matter_and_Measurements/1.14%3A_Density_and_Specific_Gravity

Narodowe Laboratorium Fizyczne. (2021). Jaka jest różnica między gęstością a ciężarem właściwym? Witryna NPL. https://www.npl.co.uk/resources/qa/density-specific-gravity-differences