§ 22. Густина речовини

Чи пам’ятаєте ви жарт «Що важче? Кілограм цвяхів чи кілограм пуху?» Ми-то вже не попадемося на цей прийом, ми знаємо, що їх маса буде однаковою, а ось об’єми істотно відрізнятимуться. Чому ж це відбувається?

Густина
Визначення об’єму, маси, густини речовини
* Густини речовини небесних тіл

Густина. Чому різні тіла і речовини мають різну масу при однаковому об’ємі? Чи навпаки, однакову масу при різному об’ємі? Очевидно, що є якась характеристика, внаслідок якої речовини таки відрізняються одна від одної. У фізиці цю фізичну характеристику речовини називають густиною.

Густина - фізична величина, що визначає масу речовини в одиниці об’єму.

Густину позначають малою грецькою літерою р. Одиницею густини в системі СІ є кілограм на кубічний метр.

Для вимірювання густини рідин використовують ареометр.

Наприклад, густина 900 кг/м³ льоду означає, що куб льоду зі сторонами 1 метр має масу 900 кг.

Визначення об’єму, маси, густини речовини. Загальну формулу для обчислення густини можна записати так:

Як розрахувати густину речовини? Для цього треба знати об’єм тіла і масу тіла. Тобто ми вимірюємо масу речовини, об’єм, а потім отримані дані просто підставляємо у формулу і знаходимо потрібне нам значення густини речовини.

Масу тіла можна визначити, знаючи об’єм і густину тіла: m = pV.

Іноді використовують ще такі одиниці, як грам на кубічний сантиметр (г/см³).

Ще слід пам’ятати, що густина речовини різна в різних агрегатних станах, тобто в твердому, рідкому або газоподібному. Густина твердих тіл, найчастіше, більша за густину рідин і набагато більша за густину газів.

Одним, дуже корисним для нас, винятком є вода, яка, як ми вже розглядали, в твердому стані має меншу густину, ніж в рідкому. Саме внаслідок цієї дивної особливості води на Землі можливе життя. Життя на нашій планеті, як відомо, вийшло з океану. А якби вода була такою, як усі інші речовини, то вона в морях і океанах промерзла б наскрізь, лід, будучи густішим за воду, опустився б на дно і лежав там, не танучи. І тільки на екваторі в невеликій товщі води існувало б життя у вигляді декількох видів бактерій. Отже можна сказати спасибі воді за те, що ми існуємо.

В таблицях (стор. 240) наведено густини деяких речовин.

Густини речовини небесних тіл. Значення густини речовини небесних тіл лежить у широких межах. Газ, із якого складаються величезні за розмірами газопилові хмари, має невисоку густину (кілька десятків атомів у кубічному сантиметрі простору). Хоча таке середовище і вважають хмарою, для нас це глибокий вакуум. Але саме з таких дуже розріджених хмар пилу і газу завдяки дії гравітації виникають зорі. Загалом увесь життєвий шлях зорі (рис. 3.15) пов’язаний з тим, що значення середньої густини речовини зростає. Спершу розріджена хмара газу і пилу стискається до стану протозорі (густина речовини зростає, бо зменшується об’єм тіла). Після народження зорі густина речовини якийсь час (він залежить від маси зорі) залишається стабільною. На кінцевих етапах існування зорі, коли вона перетворюється у білого карлика, нейтронну зорю чи чорну діру, значення густини зростає. Можна зрозуміти чому - розміри зорі різко зменшуються, тоді як маса зменшується не набагато від попередньої.

Рис. 3.15. Життєвий шлях зорі типу Сонця

Наприклад, значення середньої густина нейтронної зорі у 10¹⁴ разів більше ніж густина води. Якщо врахувати, що маса такої зорі співмірна з масою Сонця, то легко зрозуміти - її розміри просто мізерні навіть у порівнянні із Землею. Діаметри нейтронних зір не перевищують кількох десятків кілометрів.

Середнє значення густини речовини Сонця нині становить 1409 кг/м³. Але в кінці існування Сонця (це трапиться не раніше ніж через 4 мільярди років) воно зміниться. Це обумовлено тим, що Сонце перетвориться у зорю, яку називають білим карликом. Її маса буде майже такою, як і маса нинішнього Сонця, а от розміри суттєво зменшаться (у 100 разів).

Головне у цьому параграфі

Для вимірювання густини рідин використовують ареометр.

Масу тіла можна визначити, знаючи об’єм і густину тіла: m = pV.

Запитання для самоперевірки

1. Що характеризує фізична величина густина?
2. Які одиниці густини?
3. Поясніть, чому речовина в твердому стані має більшу густину, ніж в газоподібному.
4. Які способи визначення об’єму ви знаєте?
5. Як можна знайти масу тіла за його густиною та об’ємом?

Приклади розв’язування задач

Задача 1. Стальна куля має масу 250 г і об’єм 0,0005 м³. З’ясувати має куля порожнину чи суцільна?

Порівнюючи з табличним значенням густини сталі бачимо, що отримане значення менше - отже, куля має порожнину.

Відповідь: куля порожниста.

Задача 2. Визначити масу тіла, якщо його об’єм 0,35 м³, а його густина 11300 кг/м³.

Відповідь: маса тіла 3955 кг.

Задача 3. Взяли олово об’ємом V₁ = 0,1 дм³ і мідь об’ємом V₂= 1,5 дм³і сплавили їх разом. Отримали сплав, який називається бронза. Визначити густину бронзи.

Підставимо в отриману формулу числові значення:

Відповідь: густина бронзи 8800 кг/м³.

Вправа 12

1(c). Маса бульби картоплі 7 г. Її об’єм 6 см³. Визначити густину бульби.
2(д). Кріт - виносить на поверхню за рік до 10 тонн землі з площі 1 та березового лісу. Справжня мініатюрна землерийна машина! Який об’єм землі густиною 2000 кг/м³ переробляє кріт за рік?
3(д). Звичайна корова дає в рік 3-5 тис. л молока, але існують і корови-рекордсменки, від яких надоюють до 20 тис. л. За добу від корови-рекордсменки отримали 82,15 л молока. Визначте масу молока, надоєну у рекордсменки за добу. Густина молока 1 028 кг/м³.
4(в). Об’єм міді V = 1 дм³. Який об’єм цинку необхідно додати, щоб отримати сплав густиною 8,5 г/см³? (Скористатись таблицею густин твердих тіл).

Експериментальне завдання

Візьміть шматок мила, що має форму прямокутного паралелепіпеда, на якому позначена його маса. Виконавши необхідні виміри, визначте густину мила.