Yoğunluk - Density

Yoğunluk
İddialı yoğunluk column.png
Bir dereceli silindir farklı yoğunluklarda çeşitli renkli sıvılar içeren
Ortak semboller
ρ, D
SI birimikg / m3
Kapsamlı ?Hayır
Yoğun ?Evet
Korunmuş ?Hayır
Türetmeler
diğer miktarlar
Boyut

yoğunluk (daha doğrusu, hacimsel kütle yoğunluğu; Ayrıca şöyle bilinir özgül kütle), bir maddenin kitle birim başına Ses. Yoğunluk için en sık kullanılan sembol ρ (küçük Yunan harfi rho ), Latin harfi olmasına rağmen D ayrıca kullanılabilir. Matematiksel olarak yoğunluk, kütlenin hacme bölünmesi olarak tanımlanır:[1]

nerede ρ yoğunluk, m kütle ve V hacimdir. Bazı durumlarda (örneğin, Amerika Birleşik Devletleri petrol ve gaz endüstrisinde) yoğunluk, gevşek bir şekilde ağırlık birim başına Ses,[2] bu bilimsel olarak yanlış olmasına rağmen - bu miktar daha spesifik olarak özel ağırlık.

Saf bir madde için yoğunluk, kendisiyle aynı sayısal değere sahiptir. kütle konsantrasyonu Farklı malzemelerin genellikle farklı yoğunlukları vardır ve yoğunluk, kaldırma kuvveti, saflık ve ambalaj. Osmiyum ve iridyum bilinen en yoğun unsurlardır sıcaklık ve basınç için standart koşullar.

Farklı birim sistemleri arasında yoğunluk karşılaştırmalarını basitleştirmek için, bazen boyutsuz miktar "bağıl yoğunluk "veya"spesifik yer çekimi ", yani malzemenin yoğunluğunun standart bir malzemenin yoğunluğuna oranı, genellikle su. Bu nedenle, birden az bir nispi yoğunluk, maddenin suda yüzdüğü anlamına gelir.

Bir malzemenin yoğunluğu, sıcaklık ve basınca göre değişir. Bu değişim tipik olarak katılar ve sıvılar için küçüktür ancak gazlar için çok daha fazladır. Bir nesne üzerindeki baskıyı artırmak nesnenin hacmini azaltır ve böylece yoğunluğunu artırır. Bir maddenin sıcaklığını artırmak (birkaç istisna dışında) hacmini artırarak yoğunluğunu azaltır. Çoğu malzemede, bir sıvının tabanını ısıtmak, konveksiyon ısıtılan sıvının yoğunluğunun azalması nedeniyle aşağıdan yukarıya doğru ısının. Bu, daha yoğun ısıtılmamış malzemeye göre yükselmesine neden olur.

Bir maddenin yoğunluğunun karşılıklılığına bazen onun özgül hacim bazen kullanılan bir terim termodinamik. Yoğunluk bir yoğun mülk bir maddenin miktarının arttırılması onun yoğunluğunu arttırmaz; daha ziyade kütlesini arttırır.

Tarih

İyi bilinen ama muhtemelen apokrif masal, Arşimet olup olmadığını belirleme görevi verildi Kral Hiero 's kuyumcu zimmete geçiriyordu altın altın üretimi sırasında çelenk tanrılara adanmış ve onu daha ucuz bir başkasıyla değiştirerek alaşım.[3] Arşimet, düzensiz şekilli çelenginin, hacmi kolayca hesaplanabilen ve kütle ile karşılaştırılabilen bir küp halinde ezilebileceğini biliyordu; ama kral bunu onaylamadı. Şaşkın, Arşimet'in daldırma banyosu yaptığı ve içeri girdikten sonra suyun yükselişinden altın çelenginin hacmini hesaplayabildiği söyleniyor. yer değiştirme Suyun. Bu keşif üzerine banyodan atladı ve "Eureka! Eureka!" Diye bağırarak sokaklarda çıplak koştu. (Εύρηκα! Yunanca "Onu buldum"). Sonuç olarak, "Eureka "ortak sözlüğe girdi ve bugün aydınlanma anını belirtmek için kullanılıyor.

Hikaye ilk olarak yazılı olarak Vitruvius ' mimari kitaplar, sözde gerçekleştiğinden iki yüzyıl sonra.[4] Bazı bilim adamları, diğer şeylerin yanı sıra, yöntemin o sırada yapılması zor olan kesin ölçümler gerektirdiğini söyleyerek bu hikayenin doğruluğundan şüphe ettiler.[5][6]

Yoğunluk denkleminden (ρ = m/V), kütle yoğunluğu hacme bölünen kütle birimlerine sahiptir. Birçok farklı büyüklüğü kapsayan birçok kütle ve hacim birimi olduğundan, kullanımda kütle yoğunluğu için çok sayıda birim vardır. birimi kilogram başına metreküp (kg / m3) ve cgs birimi gram başına santimetre küp (g / cm3) muhtemelen yoğunluk için en yaygın kullanılan birimlerdir. Bir g / cm3 1000 kg / m'ye eşittir3. Bir santimetre küp (cc kısaltma) bir mililitreye eşittir. Endüstride, diğer büyük veya daha küçük kütle ve / veya hacim birimleri genellikle daha pratiktir ve ABD alışılmış birimleri Kullanılabilir. En yaygın yoğunluk birimlerinden bazılarının listesi için aşağıya bakın.

Yoğunluk ölçümü

Malzemelerin yoğunluğunun ölçülmesi için bir dizi teknik ve standart mevcuttur. Bu teknikler arasında bir hidrometre (sıvılar için bir kaldırma yöntemi), Hidrostatik denge (sıvılar ve katılar için bir kaldırma yöntemi), daldırılmış gövde yöntemi (sıvılar için bir kaldırma yöntemi), piknometre (sıvılar ve katılar), hava karşılaştırma piknometresi ( katılar), salınımlı dansitometre (sıvılar), ayrıca dökün ve hafifçe vurun (katılar).[7] Bununla birlikte, her bir yöntem veya teknik, farklı yoğunluk türlerini ölçer (örneğin, yığın yoğunluğu, iskelet yoğunluğu, vb.) Ve bu nedenle, ölçülen yoğunluk türünün yanı sıra söz konusu malzeme türünün de anlaşılması gerekir.

Homojen malzemeler

A'nın tüm noktalarındaki yoğunluk homojen nesne toplamına eşittir kitle toplam hacmine bölünür. Kütle normalde a ile ölçülür ölçek veya denge; hacim doğrudan (nesnenin geometrisinden) veya bir sıvının yer değiştirmesiyle ölçülebilir. Bir sıvının veya gazın yoğunluğunu belirlemek için hidrometre, bir dasymetre veya a Coriolis akış ölçer sırasıyla kullanılabilir. Benzer şekilde, hidrostatik tartım nesnenin yoğunluğunu belirlemek için batık bir nesne nedeniyle suyun yer değiştirmesini kullanır.

Heterojen malzemeler

Gövde homojen değilse, yoğunluğu nesnenin farklı bölgeleri arasında değişir. Bu durumda, belirli bir konumun etrafındaki yoğunluk, o konumun etrafındaki küçük bir hacmin yoğunluğu hesaplanarak belirlenir. Sonsuz küçük bir hacmin sınırında, homojen olmayan bir nesnenin bir noktadaki yoğunluğu şu hale gelir: , nerede pozisyondaki temel hacimdir . Vücudun kütlesi daha sonra şu şekilde ifade edilebilir:

Kompakt olmayan malzemeler

Pratikte şeker, kum veya kar gibi dökme malzemeler boşluklar içerir. Doğada birçok malzeme pul, pelet veya granül olarak bulunur.

Boşluklar, dikkate alınan malzemeden başka bir şey içeren bölgelerdir. Genellikle boşluk havadır, ancak vakum, sıvı, katı veya farklı bir gaz veya gaz karışımı da olabilir.

Boşluk fraksiyonu da dahil olmak üzere bir malzemenin yığın hacmi genellikle basit bir ölçümle (örneğin kalibre edilmiş bir ölçüm kabı ile) veya bilinen boyutlardan geometrik olarak elde edilir.

Kütle bölü toplu hacim belirler kütle yoğunluğu. Bu, hacimsel kütle yoğunluğu ile aynı şey değildir.

Hacimsel kütle yoğunluğunu belirlemek için, önce boşluk fraksiyonunun hacmini düşürmek gerekir. Bazen bu geometrik akıl yürütmeyle belirlenebilir. İçin eşit alanların yakın paketlenmesi boşluk olmayan kısım en fazla yaklaşık% 74 olabilir. Ayrıca ampirik olarak da belirlenebilir. Bununla birlikte, kum gibi bazı dökme malzemelerin bir değişken Malzemenin nasıl karıştırıldığına veya döküldüğüne bağlı olan boşluk oranı. Kullanıma bağlı olarak az ya da çok hava boşluğuna sahip, gevşek veya kompakt olabilir.

Pratikte, boşluk fraksiyonunun mutlaka hava veya hatta gaz halinde olması gerekmez. Kum söz konusu olduğunda, su olabilir, bu da ölçüm için avantajlı olabilir, çünkü suya doymuş kum için boşluk fraksiyonu (herhangi bir hava kabarcığı tamamen dışarı çıkarıldığında) potansiyel olarak hava boşluğu ile ölçülen kuru kumdan daha tutarlıdır.

Kompakt olmayan malzemeler söz konusu olduğunda, malzeme numunesinin kütlesini belirlerken de dikkatli olunmalıdır. Malzeme basınç altındaysa (genellikle dünya yüzeyindeki ortam hava basıncı), ölçülen bir numune ağırlığından kütlenin belirlenmesi, ölçümün nasıl yapıldığına bağlı olarak boşluk bileşeninin yoğunluğundan kaynaklanan kaldırma etkilerinin hesaba katılması gerekebilir. Kuru kum söz konusu olduğunda, kum havadan çok daha yoğundur ve kaldırma etkisi genellikle ihmal edilir (binde birden az).

İki boşluklu malzemenin yoğunluk farkının güvenilir bir şekilde bilinmesi halinde, sabit hacim korunurken bir boş malzemenin diğeriyle yer değiştirmesi üzerine kütle değişikliği boşluk fraksiyonunu tahmin etmek için kullanılabilir.

Yoğunluk değişiklikleri

Genel olarak yoğunluk, değiştirilerek değiştirilebilir. basınç ya da sıcaklık. Basıncı artırmak her zaman bir malzemenin yoğunluğunu artırır. Sıcaklığın arttırılması genellikle yoğunluğu azaltır, ancak bu genellemenin dikkate değer istisnaları vardır. Örneğin, yoğunluğu Su 0 ° C ile 4 ° C arasında erime noktası arasında artar; benzer davranış gözlenir silikon düşük sıcaklıklarda.

Basınç ve sıcaklığın sıvıların ve katıların yoğunlukları üzerindeki etkisi küçüktür. sıkıştırılabilme tipik bir sıvı veya katı için 10−6 bar−1 (1 bar = 0,1 MPa) ve tipik bir termal genişleme 10−5 K−1. Bu, kabaca bir maddenin hacmini yüzde bir azaltmak için atmosferik basınca yaklaşık on bin kat ihtiyaç duyulması anlamına gelir. (Gerekli basınçlar kumlu toprak ve bazı killer için yaklaşık bin kat daha az olsa da) Hacmin yüzde bir genişlemesi tipik olarak binlerce derece civarında bir sıcaklık artışı gerektirir. Santigrat.

Aksine, gazların yoğunluğu basınçtan büyük ölçüde etkilenir. Yoğunluğu Ideal gaz dır-dir

nerede M ... molar kütle, P baskı R ... Evrensel gaz sabiti, ve T ... mutlak sıcaklık. Bu, ideal bir gazın yoğunluğunun, basıncı iki katına çıkararak veya mutlak sıcaklığı yarıya indirerek iki katına çıkarılabileceği anlamına gelir.

Sabit basınçta ve küçük sıcaklık aralıklarında hacimsel ısıl genleşme olması durumunda, yoğunluğun sıcaklığa bağlılığı:

nerede bir referans sıcaklıktaki yoğunluk, yakın sıcaklıklarda malzemenin ısıl genleşme katsayısıdır. .

Çözüm yoğunluğu

Bir yoğunluğu çözüm toplamı kütle (kütlesel) konsantrasyonları bu çözümün bileşenlerinin

Verilen her bir bileşenin kütle (kütle) konsantrasyonu ρben bir çözümde, çözümün yoğunluğu toplamıdır.

Karışımın saf bileşenlerinin yoğunluklarının bir fonksiyonu olarak ifade edilir ve bunların hacim katılımı belirlenmesine izin verir fazla molar hacimler:

bileşenler arasında etkileşim olmaması koşuluyla.

Bileşenlerin fazla hacimleri ile aktivite katsayıları arasındaki ilişki bilinerek aktivite katsayıları belirlenebilir.

Yoğunluklar

Çeşitli malzemeler

Seçilmiş kimyasal elementler burada listelenmiştir. Tüm kimyasal elementlerin yoğunlukları için bkz. Kimyasal elementlerin listesi
Bir dizi değeri kapsayan çeşitli malzemelerin yoğunlukları
Malzemeρ (kg / m3)[not 1]Notlar
Hidrojen0.0898
Helyum0.179
Aerografit0.2[not 2][8][9]
Metalik mikrolattice0.9[not 2]
Aerojel1.0[not 2]
Hava1.2Deniz seviyesinde
Tungsten heksaflorür12.4Standart koşullarda bilinen en ağır gazlardan biri
Sıvı hidrojen70Yaklaşık. −255 ° C
Strafor75Yaklaşık.[10]
mantar240Yaklaşık.[10]
Çam373[11]
Lityum535En az yoğun metal
Odun700Tecrübeli, tipik[12][13]
Meşe710[11]
Potasyum860[14]
buz916.7<0 ° C sıcaklıkta
Yemek yagı910–930
Sodyum970
Su (taze)1,0004 ° C'de, maksimum yoğunluğunun sıcaklığı
Su (tuz)1,0303%
Sıvı oksijen1,141Yaklaşık. -219 ° C
Naylon1,150
Plastikler1,175Yaklaşık .; için polipropilen ve PETE /PVC
Gliserol1,261[15]
Tetrakloroeten1,622
Kum1,6001.600 ile 2000 arası [16]
Magnezyum1,740
Berilyum1,850
Somut2,400[17][18]
Bardak2,500[19]
Silikon2,330
Kuvarsit2,600[16]
Granit2,700[16]
Gnays2,700[16]
Alüminyum2,700
Kireçtaşı2,750Kompakt[16]
Bazalt3,000[16]
Diiyodometan3,325Oda sıcaklığında sıvı
Elmas3,500
Titanyum4,540
Selenyum4,800
Vanadyum6,100
Antimon6,690
Çinko7,000
Krom7,200
Teneke7,310
Manganez7,325Yaklaşık.
Demir7,870
Niyobyum8,570
Pirinç8,600[18]
Kadmiyum8,650
Kobalt8,900
Nikel8,900
Bakır8,940
Bizmut9,750
Molibden10,220
Gümüş10,500
Öncülük etmek11,340
Toryum11,700
Rodyum12,410
Merkür13,546
Tantal16,600
Uranyum18,800
Tungsten19,300
Altın19,320
Plütonyum19,840
Renyum21,020
Platin21,450
İridyum22,420
Osmiyum22,570En yoğun eleman
Notlar:
  1. ^ Aksi belirtilmedikçe, verilen tüm yoğunluklar sıcaklık ve basınç için standart koşullar,
    yani 273.15K (0,00 ° C) ve 100 kPa (0,987 atm).
  2. ^ a b c Yoğunluk hesaplanırken malzemede bulunan hava dışarıda bırakılır

Diğerleri

Varlıkρ (kg / m3)Notlar
Yıldızlararası ortam1×10−19% 90 H,% 10 He varsayıldığında; değişken T
Dünya5,515Ortalama yoğunluk.[20]
Dünyanın iç çekirdeği13,000Yaklaşık, listelenen Dünya.[21]
Çekirdeği Güneş33,000–160,000Yaklaşık.[22]
Süper kütleli kara delik9×1054,5 milyon güneş kütleli bir kara deliğin yoğunluğu
Olay ufku yarıçap 13,5 milyon km'dir.
Beyaz cüce star2.1×109Yaklaşık.[23]
Atom çekirdeği2.3×1017Çekirdeğin boyutuna büyük ölçüde bağlı değildir[24]
Nötron yıldızı1×1018
Yıldız kütlesi Kara delik1×10184 güneş kütleli bir kara deliğin yoğunluğu
Olay ufku yarıçap 12 km'dir.

Su

1'de sıvı su yoğunluğu ATM basınç
Sıcaklık (° C)[not 1]Yoğunluk (kg / m3)
−30983.854
−20993.547
−10998.117
0999.8395
4999.9720
10999.7026
15999.1026
20998.2071
22997.7735
25997.0479
30995.6502
40992.2
60983.2
80971.8
100958.4
Notlar:
  1. ^ 0 ° C'nin altındaki değerler, aşırı soğutulmuş Su.

Hava

Hava yoğunluğu vs. sıcaklık
1'de hava yoğunluğuATM basınç
T (° C)ρ (kg / m3)
−251.423
−201.395
−151.368
−101.342
−51.316
01.293
51.269
101.247
151.225
201.204
251.184
301.164
351.146

Molar hacimde sıvı ve katı faz elementler

Molar hacimde sıvı ve katı faz elementler

Ortak birimler

yoğunluk birimi:

Litre ve metrik tonlar SI'nın bir parçası değildir, ancak onunla birlikte kullanılması kabul edilebilir ve aşağıdaki birimlere yol açar:

Aşağıdaki metrik birimleri kullanan yoğunlukların tümü tam olarak aynı sayısal değere sahiptir, değerin binde biri (kg / m3). Sıvı Su yaklaşık 1 kg / dm yoğunluğa sahiptir3, bu SI birimlerinden herhangi birini sayısal olarak en çok katılar ve sıvılar 0.1 ile 20 kg / dm arasında yoğunluklara sahip3.

  • desimetre küp başına kilogram (kg / dm3)
  • santimetre küp başına gram (g / cm3)
    • 1 g / cm3 = 1000 kg / m3
  • metreküp başına megagram (metrik ton) (Mg / m3)

İçinde ABD alışılmış birimleri yoğunluk şu şekilde belirtilebilir:

İmparatorluk birimleri Yukarıdakilerden farklı olarak (İngiliz galonu ve kile ABD birimlerinden farklı olduğundan), daha eski belgelerde bulunmasına rağmen pratikte nadiren kullanılmaktadır. İmparatorluk galonu şu konsepte dayanıyordu: Imperial sıvı ons suyun kütlesi bir Avoirdupois ons'luk ve aslında 1 g / cm23 ≈ 1.00224129 ons Imperial sıvı ons başına = 10.0224129 pound Imperial galon başına. Yoğunluğu değerli metaller muhtemelen dayanabilir Truva ons ve pound, olası bir kafa karışıklığı nedeni.

Hacmi bilmek Birim hücre kristalli bir malzemenin formül ağırlığı ( Daltonlar ), yoğunluk hesaplanabilir. Kübik başına bir dalton ångström 1.660 539066 60 g / cm yoğunluğa eşittir3.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Ulusal Havacılık ve Atmosfer İdaresi Glenn Araştırma Merkezi. "Gaz Yoğunluğu Glenn Araştırma Merkezi". grc.nasa.gov. Arşivlenen orijinal 14 Nisan 2013. Alındı 9 Nisan 2013.
  2. ^ "Petrol Gaz Sözlüğünde yoğunluk tanımı". Oilgasglossary.com. Arşivlenen orijinal 5 Ağustos 2010. Alındı 14 Eylül 2010.
  3. ^ Arşimet, Bir Altın Hırsızı ve Yüzdürme Arşivlendi 27 Ağustos 2007, Wayback Makinesi - Larry "Harris" Taylor, Ph.D.
  4. ^ Vitruvius Mimarlık Üzerine, Kitap IX[kalıcı ölü bağlantı ], 9–12. paragraflar, İngilizce'ye çevrilmiş ve orijinal Latince'de.
  5. ^ "SERGİ: İlk Eureka Anı". Bilim. 305 (5688): 1219e. 2004. doi:10.1126 / science.305.5688.1219e.
  6. ^ Gerçek mi Kurgu mu ?: Arşimet "Eureka!" banyoda, Bilimsel amerikalı, Aralık 2006.
  7. ^ "Yoğunluk ölçümü hakkında OECD Deney Yönergesi 109".
  8. ^ Yeni karbon nanotüp struructure aerographite en hafif malzeme şampiyonu Arşivlendi 17 Ekim 2013, Wayback Makinesi. Phys.org (13 Temmuz 2012). Erişim tarihi: 14 Temmuz 2012.
  9. ^ Aerographit: Leichtestes Material der Welt entwickelt - SPIEGEL ONLINE Arşivlendi 17 Ekim 2013, Wayback Makinesi. Spiegel.de (11 Temmuz 2012). Erişim tarihi: 14 Temmuz 2012.
  10. ^ a b "Re: hangisi daha esnek [sic] strafor veya mantar ". Madsci.org. Arşivlendi 14 Şubat 2011 tarihli orjinalinden. Alındı 14 Eylül 2010.
  11. ^ a b Raymond Serway; John Jewett (2005), Fiziğin İlkeleri: Hesap Tabanlı Bir Metin, Cengage Learning, s. 467, ISBN  0-534-49143-X, arşivlendi 17 Mayıs 2016 tarihli orjinalinden
  12. ^ "Ağaç Yoğunlukları". www.engineeringtoolbox.com. Arşivlendi 20 Ekim 2012 tarihli orjinalinden. Alındı 15 Ekim 2012.
  13. ^ "Odun Yoğunluğu". www.simetric.co.uk. Arşivlendi 26 Ekim 2012 tarihli orjinalinden. Alındı 15 Ekim 2012.
  14. ^ CRC Press Handbook for table for Applied Engineering Science, 2. Baskı, 1976, Tablo 1-59
  15. ^ gliserol bileşimi Arşivlendi 28 Şubat 2013, Wayback Makinesi. Physics.nist.gov. Erişim tarihi: 14 Temmuz 2012.
  16. ^ a b c d e f P.V. Sharma (1997), Çevre ve Mühendislik Jeofiziği, Cambridge University Press, s. 17, doi:10.1017 / CBO9781139171168, ISBN  9781139171168
  17. ^ "Betonun Yoğunluğu - Fizik Factbook". hypertextbook.com.
  18. ^ a b Hugh D. Young; Roger A. Freedman. Modern Fizikle Üniversite Fiziği Arşivlendi 30 Nisan 2016, Wayback Makinesi. Addison-Wesley; 2012. ISBN  978-0-321-69686-1. s. 374.
  19. ^ "Camın Yoğunluğu - Fizik Factbook". hypertextbook.com.
  20. ^ Dünyanın Yoğunluğu, wolframalpha.com, arşivlendi 17 Ekim 2013 tarihli orjinalinden
  21. ^ Dünyanın çekirdeğinin yoğunluğu, wolframalpha.com, arşivlendi 17 Ekim 2013 tarihli orjinalinden
  22. ^ Güneşin çekirdeğinin yoğunluğu, wolframalpha.com, arşivlendi 17 Ekim 2013 tarihli orjinalinden
  23. ^ Extreme Stars: Beyaz Cüceler ve Nötron Yıldızları Arşivlendi 25 Eylül 2007, Wayback Makinesi Jennifer Johnson, ders notları, Astronomi 162, Ohio Devlet Üniversitesi. Erişim tarihi: 3 Mayıs 2007.
  24. ^ Nükleer Boyut ve Yoğunluk Arşivlendi 6 Temmuz 2009, Wayback Makinesi, HiperFizik, Georgia Eyalet Üniversitesi. Erişim tarihi: 26 Haziran 2009.

Dış bağlantılar