Как найти плотность газообразного вещества

Density is referred to as the ratio of the mass per unit of volume of a substance under specific conditions of pressure and temperature. Mathematically, it can be defined as mass divided by volume. It is generally represented by “ρ” or “D”. The density of a substance varies depending on its pressure and temperature. For example, the density of an ideal gas can be doubled as the pressure doubles or by halving its absolute temperature. That means the density of gas always increases as the pressure increases and decreases as the temperature increases. We can determine the molar mass of a substance if we know its density. Generally, the density of a substance is different for different materials. At standard conditions for temperature and pressure, osmium and iridium are the densest known elements.

Density (ρ) = m/V

Where “m” is the mass, and “V” is the volume.

The SI unit of density of a substance is kilogram per cubic meter (kg/m³). Some other units of measurement of density are kilogram per liter (kg/L), gram per milliliter (g/mL), tonne per cubic meter (t/m³), etc.

Density of Gas Formula

The formula to determine the density of a gas is given as follows:

Density of a gas (ρ) = PM/RT

Where,

“P” is the pressure of the gas,

“M” is the molar mass (g/mol),

“R” is the universal gas constant (R = 0.082 L⋅ atm⋅ K^−1⋅ mol⁻¹), and

“T” is the temperature of the gas (K)

Derivation For the Density of Gas formula 

The density of a gas is equal to the total mass of the gas to the total volume of the gas. To determine the molar mass of a gas, we have to consider the ideal gas equation.

From the ideal gas equation, we have

PV = nRT …………(1)

where,
“P” is the pressure of the gas,
“V” is the volume of the gas
“n” is the number of moles
“R” is the universal gas constant (R = 0.082 L⋅ atm⋅ K⁻¹⋅ mol⁻¹), and
“T” is the temperature of the gas

We know that, number of moles (n) = m/M 

where, 
“m” is the mass of the gas,
“M” is the molecular mass of the gas.

Now, substitute n = m/M in equation (1).

Thus, PV = mRT/M

P = mRT/MV ……….(2)

we know that density (ρ) = m/V. So, substitute the value of ρ in equation (2).

Thus, we get

P = ρ RT/M

ρ = PM/RT 

Thus, the ideal gas density formula is ρ = PM/RT.

Solved Examples on Gas Density

Example 1: What will be the density of a gas at 37 °C and a pressure of 5 atm and a molar mass of 84 g/mol?

Solution:

Given data:

Molar mass (M) = 84 g/mol

The pressure of the gas (P) =5 atm

The temperature of the gas (T) = 37 °C = 310 K

Universal gas constant (R) = 0.082 L⋅atm⋅K⁻¹⋅mol⁻¹

From the ideal gas density formula, we have

ρ = MP/RT

ρ = (84 × 5)/ (0.082 × 310)

ρ = 420/25.42 g/L

ρ = 16.522 g/L

Hence, the density of a gas is 16.522 g/L.

Example 2: Determine the density of a gas at 27 °C at a pressure of 7 atm and a molar mass of 54 g/mol. (R = 0.082 L⋅atm⋅K⁻¹⋅mol⁻¹)

Solution:

Given data:

Molar mass (M) = 54 g/mol

The pressure of the gas (P) =7 atm

The temperature of the gas (T) = 27 °C = 300 K

Universal gas constant (R) = 0.082 L⋅atm⋅K⁻¹⋅mol⁻¹

From the ideal gas density formula, we have

ρ= MP/RT

ρ= (54 × 7)/ (0.082 × 300)

ρ= 378/24.6 g/L

ρ= 15.37 g/L

Hence, the density of a gas is 15.37 g/L.

Example 3: Determine the density of carbon monoxide at 40 °C and a pressure of 730 Torr. (R = 0.082 L⋅atm⋅K⁻¹⋅mol⁻¹)

Solution:

Given data:

Molar mass of carbon monoxide (M) = 28 g/mol

Pressure (P) =730 Torr = 730/760 atm = 0.9605 atm

Temperature (T) = 40 °C = 313 K

Universal gas constant (R) = 0.082 L⋅atm⋅K⁻¹⋅mol⁻¹

From the ideal gas density formula, we have

ρ= MP/RT

ρ= (28 × 0.9605)/ (0.082 × 313)

ρ= 26.894/25.666 g/L

ρ= 1.0478 g/L

Hence, the density of carbon monoxide at 40 °C and a pressure of 730 Torr is 1.0478 g/L.

Example 4: If the density of a gas is 9.35 g/L at STP, then determine its density at 30 °C and a pressure of 700 mmHg.

Solution: 

Given data:

The density of a gas (ρ₁) = 9.35 g/L

We know that at STP pressure is equal to 0.987 atm and temperature is equal to 273.15 K.

So, P₁ = 0.987 atm

T₁ = 273.15 K

Let the density of the gas at 30 °C and pressure of 700mmHg be ρ₂.

P₂ = 700mmHg = 700 × 0.00131579 atm = 0.9210 atm

T₂ = 30 °C = 303K

From the ideal gas density formula, we have

ρ= MP/RT

As we are calculating the density of the same gas at different conditions, the mass of the gas remains the same.

ρ ∝ P/T

ρ₁/ρ₂ = (P₁/T₁)/ (P₂/T₂)

9.35/ρ₂ = (0.987/273.15)/ (0.9210/303)

9.35/ρ₂ = (0.987 × 303)/ (0.9210 × 273.15)

9.35/ρ₂ = (299.061/251.57)

ρ₂ = (9.35 × 251.57)/299.061

ρ₂ = 7.865 g/L

Hence, the density of the gas at 30 °C and pressure of 700mmHg is 7.865 g/L.

Example 5: What is the density of nitric oxide (NO) at a temperature of 51 °C and a pressure of 6 bar? (R = 0.082 L⋅atm⋅K⁻¹⋅mol⁻¹)

Solution:

Given data:

Density (ρ) = 3.42 g/L

Temperature (T) = 51 + 273 = 324 K

Pressure (P)= 6 bar = 6 × 0.9869 atm = 5.9215 atm

The molar mass of nitric oxide = 30 g/mol

Universal gas constant (R) = 0.082 L⋅atm⋅K⁻¹⋅mol⁻¹

From the ideal gas density formula, we have

ρ= MP/RT

ρ= (30 × 5.9215)/ (0.082 × 324)

ρ= 177.645/26.568 g/L

ρ= 6.686 g/L

Hence, the density of nitric oxide at 51 °C and a pressure of 6 bar is 6.686 g/L.

FAQs on Gas Density

Question 1: Define the density of the gas.

Answer:

Density is referred to as the ratio of the mass per unit of volume of a substance under specific conditions of pressure and temperature. Mathematically, it can be defined as mass divided by volume. It is generally represented by “ρ” or “D”. 

Density (ρ) = m/V

Where “m” is the mass, and “V” is the volume.

Question 2: What is the effect of pressure and temperature on the density of gas?

Answer:

The density of a substance varies depending on its pressure and temperature. For example, the density of an ideal gas can be doubled as the pressure doubles or by halving its absolute temperature. That means the density of gas always increases as the pressure increases and decreases as the temperature increases.

Question 3: What is meant by an ideal gas? Write down the ideal gas density formula.

Answer: 

The gas that strictly follows Boyle’s law, Charles’ law, and Avogadro’s law is known as an ideal gas. It is a hypothetical gas that is proposed to simplify the calculations. Many real gases behave qualitatively like an ideal gas under various conditions of temperature and pressure, where the gas molecules act as the ideal particles.

Ideal gas density formula

ρ = PM/RT

Where “P” is the pressure of the gas,

“M” is the molar mass (g/mol),

“R” is the universal gas constant (R = 0.082 L⋅ atm⋅ K⁻¹⋅ mol⁻¹), and

“T” is the temperature of the gas (K)

Question 4: What are units of measurement of density?

Answer: 

The SI unit of density of a substance is kilogram per cubic meter (kg/m³). Some other units of measurement of density are kilogram per liter (kg/L), gram per milliliter (g/mL), tonne per cubic meter (t/m³), etc.

Плотность газа

Плотность газа и другие его физические свойства

Одной из важнейших физических свойств газообразных веществ является значение их плотности.

Данную величину обычно обозначают греческой буквой r или латинскими D и d. Единицей измерения плотности в системе СИ принято считать кг/м³, а в СГС – г/см³. Плотность газа – справочная величина, её обычно измеряют при н. у.

Зачастую, применительно к газам используют понятие «относительная плотность». Данная величина представляет собой отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму.

Например, при нормальных условиях масса диокисда углерода в объеме 1 л равна 1,98 г, а масса водорода в том же объеме и при тех же условиях – 0,09 г, откуда плотность диоксида углерода по водороду составит: 1,98 / 0,09 = 22.

Относительная плотность газа

Обозначим относительную плотность газа m₁ / m₂ буквой D. Тогда

D = M₁ / M₂,

откуда

M₁ = D×M₂.

Следовательно, молярная масса газа равна его плотности по отношению у другому газа, умноженной на молярную массу второго газа.

Часто плотности различных газов определяют по отношению к водороду, как самому легкому из всех газов. Поскольку молярная масса водорода равна 2,0158 г/моль, то в этом случае уравнение для расчета молярных масс принимает вид:

M = 2,0158 ×D

или, если округлить молярную массу водорода до 2:

M = 2 ×D.

Вычисляя, например, по этому уравнению молярную массу диоксида углерода, плотность которого по водороду, как указано выше равна 22, находим:

M(CO₂) = 2 × 22 = 44 г/моль.

Плотность газа в лабораторных условиях самостоятельно можно определить следующим образом: необходимо взять стеклянную колбу с краном и взвесить её на аналитических весах. Первоначальный вес – вес колбы, из которой откачали весь воздух, конечный – вес колбы, наполненной до конкретного давления исследуемым газом. Разность полученных масс следует разделить на объем колбы. Вычисленное значение и есть плотность газа в данных условиях.

Чтобы рассчитать плотность газа при н.у. нужно воспользоваться уравнением состояния идеального газа:

p₂ = p_N;

V₂ = V_N;

T₂ = T_N.

p₁/p_N×V₁/m×m/V_N = T₁/T_N;

т.к. m/V₁ = r₁ и m/V_N = r_N, получаем, что

r_N = r₁×p_N/p₁×T₁/T_N.

В таблице ниже приведены значения плотностей некоторых газов.

Таблица 1. Плотность газов при нормальных условиях.

Газ	Плотность, кг/м3	Dair	DH2
Воздух	1,293	1	14,5
Водород	0,0899	0,00695	1
Азот	1,25	0,967	14
Кислород	1,43	1,11	16
Диоксид углерода	1,997	1,53	22
Гелий	0,179	0,139	2

Примеры решения задач

Плотность и способы ее определения

Плотность равна отношению массы тела к объему, который оно занимает.

$mathrm {rho = frac {m}{V}}$, $mathrm {г/см^3}$

Где:

• m – масса вещества, г,
• V – объем данного вещества, $mathrm {см^3}$.

Данная формула применяется для определения плотности вещества в твердом состоянии.

Для газообразных веществ используют другую формулу: $mathrm {rho = frac {M_{в-ва}}{V_m}, г/л}$, где $mathrm {V_m}$ — молярный объем газа, при нормальных условиях равный 22,4 л/моль

Относительная плотность газов

Для того, чтобы перейти к определению относительной плотности газов, необходимо упомянуть о законе Авогадро, который заключается в том, что в равных объемах разных газов при одинаковых условиях содержится равное число молекул (число Авогадро $mathrm {N_A = 6,022 cdot 10^{23}}$

Из данного закона вытекают два следствия:

1. Один моль любого газа занимает равный объем при одинаковых условиях: $mathrm {V_m = frac {V}{n}}$.
2. Отношение плотностей разных газов относятся между собой как молярные массы этих газов.

$mathrm {rho_1 = frac {m_1}{V} = frac {n_{1}M_{1}}{n_{1}V_{m}} = frac {M_1}{V_m}}$

$mathrm {rho_2 = frac {m_2}{V} = frac {n_{2}M_{2}}{n_{2}V_{m}} = frac {M_2}{V_m}}$

$mathrm {frac {rho_1}{rho_2} = frac {M_1}{M_2} = D}$, где D – относительная плотность газа

Пример решения задачи

Необходимо определить плотность и относительную плотность оксида азота (II) по воздуху. При этом $mathrm {M_{NO} = 30 г/моль, V_{NO} = 22,4 л/моль}$

1) Определим плотность соединения с помощью формулы $mathrm {rho = frac {M_{NO}}{V_m} = frac {30 г/моль}{22,4 л/моль} = 1,34 г/л}$.

2) Рассчитаем относительную плотность газа по формуле: $mathrm {D_{возд.} = frac {M_{NO}}{M_{возд.}} = frac {30 г/моль}{29 г/моль} = 1,03 г/л}$.

Ответ: $mathrm {rho = 1,34 г/л}$, $mathrm {D_{возд.} = 1,03 г/л}$

Содержание:

Плотность, единицы плотности:

Мы часто употребляем выражение «легкий, как воздух» или «тяжелый. как свинец». Но знаете ли вы. что воздух внутри, скажем, супермаркета, весит больше 400 кг. а груз такой массы не поднять и силачу. Свинцовое же грузило для удочки легко поднимет даже малыш. Выходит, приведенные выше выражения — неправильные? Подождите делать выводы — давайте разберемся.

На рис. 2.8 вы видите два бруска, оба бруска изготовлены из одного и того же вещества — свинца, но имеют разные размеры. Наша задача — найти отношение массы каждого бруска к его объему.

Для начала измерьте длину, ширину и высоту брусков и вычислите их объемы. (Если вы правильно выполните измерения и не ошибетесь в расчетах, то вы получите такие результаты: объем меньшего бруска равен 4 см3, большего бруска — 10 см3.)

Определив объемы брусков, взвесим их. На левую чашу весов поместим один из брусков, на правую — разновесы (рис. 2.9). Весы находятся в равновесии, ваша задача — сосчитать массу разновесов.

Нам осталось найти отношение массы каждого бруска к его объему, т. е. вычислить, чему равняется масса свинца объемом 1 см3 для меньшего и для большего брусков. Очевидно, что если масса меньшего бруска 45,2 г и он занимает объем 4 , то масса свинца объемом 1 для этого бруска равняется 45,2 : 4 — 11,3 (г). Выполнив аналогичные расчеты для большего бруска, получим 113 : 10 = 11,3 (г). Таким образом, отношение массы свинцового бруска к его объему (масса свинца единичного объема) одинаково как для большего, так и для меньшего брусков.

Если теперь взять бруски, изготовленные из другого вещества (например алюминия), и повторить те же действия, то отношение массы алюминиевого бруска к его объему также не будет зависеть от размеров бруска. Мы снова получим постоянное число, но уже другое, чем в опыте со свинцом.

Определение плотности вещества

Физическая величина, характеризующая данное вещество и численно равная массе вещества единичного объема, называется плотностью вещества.

Плотность обозначается символом р и вычисляется по формуле

где V — объем, занятый веществом массой m.

Плотность — это характеристика вещества, не зависящая от массы вещества и его объема. Если увеличить массу вещества, например, в два раза, то объем, который оно займет, также возрастет в два раза*.

Из определения плотности вещества получим единицу плотности. Поскольку в СИ единицей массы является килограмм, а единицей объема — метр кубический, то единицей плотности в СИ будет килограмм на метр кубический (кг/м*).

1 кг/м-* — это плотность такого однородного вещества, масса которого в объеме один кубический метр равняется одному килограмму.

На практике также очень часто применяется единица плотности грамм на сантиметр кубический (г/см*).

Единицы плотности килограмм на метр кубический (кг/м-1) и грамм на сантиметр кубический (г/см3) связаны между собой соотношением:

 

Плотности разных веществ

Плотности разных веществ и материалов могут существенно отличаться друг от друга (рис. 2.10). Рассмотрим несколько примеров. Плотность водорода при температуре О С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 0,090 кг/ — это значит, что масса водорода объемом 1 равна 0,090 кг, или 90 г. Плотность свинца 11 300 кг/м3. Это означает, что свинец объемом

1    м3 имеет массу 11 300 кг, или 11,3 т. Плотность вещества нейтронной звезды достигает кг/. Масса такого вещества объемом равняется 1 млрд тонн. Ниже в таблице приведены плотности некоторых веществ.

Плотность, однако, существенно изменяется в случае изменения температуры и агрегатного состояния вещества. С причинами изменения плотности вещества мы познакомимся далее.

Таблица плотностей некоторых веществ в твердом состоянии

Таблица плотностей некоторых веществ в жидком состоянии

Таблица плотностей некоторых веществ в газообразном состоянии (при температуре О °С и давлении 760 мм рт. ст.)

Вычисление плотности, массы и объема физического тела

На практике часто бывает необходимо определить, из какого вещества состоит то или иное физическое тело. Для этого можно воспользоваться таким способом. Вначале вычислить плотность этого тела, т. е. найти отношение массы тела к его объему. Далее, воспользовавшись данными таблицы плотностей, выяснить, какому веществу соответствует найденное значение плотности.

Например, если глыба объемом имеет массу 2700 кг, то очевидно, что плотность глыбы равна:

По таблице находим, что глыба состоит из льда.

В приведенных выше примерах мы рассматривали так называемые однородные тела, т. е. тела, не имеющие пустот и состоящие из одного ее щества (ледяная глыба, свинцовый и алюминиевый бруски). В таких случаях плотность тела равна плотности вещества, из которого оно состоит (плотность ледяной глыбы = плотности льда).

Если в теле есть пустоты или оно изготовлено из различных веществ (например, корабль, футбольный мяч, человек), то говорят о средней плотности тела, которая также исчисляется по формуле

где V — объем тела массой m.
Средняя плотность тела человека, например, составляет

Зная плотность вещества, из которого изготовлено тело (или среднюю плотность тела), и объем тела, можно определить массу данного тела без взвешивания. В самом деле, если

Соответственно, зная плотность и массу тела, можно найти его объем:

Итоги:
Физическая величина, характеризующая данное вещество и численно равная массе вещества единичного объема, называется плотностью вещества.

Плотность вещества и плотность тела можно рассчитать по формуле

В СИ плотность измеряется в килограммах на метр кубический Часто также используют единицу плотности грамм на сантиметр кубический. Эти единицы связаны между собой соотношением:

Зная массу тела и его плотность, можно найти объем тела: Соответственно, по известным объему тела и его плотности можно найти массу тела:

Плотность и единицы плотности

Вы наверняка слышали выражения «легкий, как воздух», «тяжелый, как свинец». При этом воздух внутри, скажем, супермаркета имеет массу более 5000 кг! Поднять груз такой массы не сможет и силач. В то же время свинцовое грузило для удочки легко поднимет даже малыш. Так что же, приведенные выражения ошибочны? Выясним, в чем здесь дело.

На рис. 16.1 изображены два однородных (не имеющих пустот) свинцовых бруска разного объема. Массы брусков тоже разные. Наша задача — найти отношение массы каждого бруска к его объему, то есть определить массу свинца объемом

1)Измерьте длину, ширину, высоту брусков и вычислите их объемы 2)Определите массу каждого бруска ( и ) (рис. 16.2). Весы находятся в равновесии, значит, следует найти массу разновесов.

3)Определите отношение массы каждого бруска к его объему , то есть узнайте, какова в каждом случае масса свинца объемом Надеемся, что вы все сделали правильно и для обоих брусков получили одинаковые результаты: Итак, мы определили, что масса свинца объемом равна 11,3 г.

Как вы считаете, изменится ли результат, если для эксперимента взять однородные свинцовые бруски вдвое большей массы? Если изменится, то как?

Определение плотности вещества

Мы провели измерения и расчеты для тел, изготовленных из свинца. Если для эксперимента взять однородные тела, изготовленные из другого вещества, например алюминия, то снова получим одинаковые результаты, но уже другие, чем в опыте со свинцом.

Отношение массы тела к его объему — характеристика не тела, а вещества, из которого это тело изготовлено. Эту величину называют плотность вещества.

Плотность вещества — это физическая величина, которая характеризует вещество и равна отношению массы однородного тела, изготовленного из данного вещества, к объему этого тела: где ρ («ро») — плотность вещества; m — масса тела; V — объем тела (объем, занятый веществом). В СИ единица массы — килограмм, единица объема — метр кубический, поэтому единица плотности в СИ — килограмм на метр кубический: Используют также единицу плотности грамм на сантиметр кубический . Единицы плотности килограмм на метр кубический и грамм на сантиметр кубический связаны соотношением:

Сравнение плотности разных веществ

Плотности веществ могут существенно отличаться. Именно поэтому одинаковые по размерам однородные тела, изготовленные из разных веществ, будут иметь разную массу. Приведем несколько примеров.

Кубики на рис. 16.3 изображены в натуральную величину и являются однородными. Объем каждого кубика — , массы кубиков указаны на рисунке.

Первый кубик изготовлен из пробки. Плотность пробки составляет — это означает, что масса пробки объемом равна 0,2 г. Плотность льда , следовательно, масса льда объемом равна 0,9 г. Плотность свинца составляет , поэтому однородное свинцовое тело объемом имеет массу 11,3 г. Используя рис. 16.3, найдите плотность золота. По таблицам плотностей некоторых веществ (см. с. 249 учебника) определите массу кубика объемом , изготовленного из латуни.

От чего зависит плотность вещества

Плотность существенно зависит от агрегатного состояния и температуры вещества. Если вещество изменяет свое агрегатное состояние или температуру, его масса остается неизменной, так как количество частиц (молекул, атомов) и масса каждой из них не изменяются. А вот объем вещества изменяется, поскольку изменяется среднее расстояние между частицами. Так, при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное плотность вещества уменьшается, поскольку увеличивается среднее расстояние между частицами, а значит, увеличивается объем, который занимает вещество (рис. 16.4).

С увеличением температуры среднее расстояние между частицами увеличивается, соответственно увеличивается объем вещества и уменьшается его плотность. И наоборот, чем ниже температура вещества, тем меньше межмолекулярные промежутки, а значит, меньше объем вещества и больше — его плотность*. 5

Вычисление и расчёт плотности тела, массы и объем тела

Как выяснить, из какого вещества изготовлено однородное тело? Один из способов — определить плотность этого тела и сравнить полученный результат с данными таблиц плотностей. Чтобы определить плотность тела, достаточно измерить его массу и объем и вычислить отношение массы тела к его объему.

Исключениями являются вода, чугун и некоторые другие вещества. Например, при нагревании воды от О °C до 4 °C ее плотность увеличивается. Плотность — это характеристика вещества, но иногда, например для сокращения записи, употребляют термин «плотность тела».

Например, если однородная фигурка объемом имеет массу m = 8,9 кг, то плотность вещества, из которого она изготовлена, равна: По таблице плотностей определяем, что фигурка изготовлена из вещества, имеющего такую же плотность, что и медь (рис. 16.5).

До сих пор речь шла об однородных телах, то есть телах, не имеющих пустот и состоящих из одного вещества (свинцовые бруски, медная фигурка). А вот если в теле есть пустоты или оно состоит из разных веществ (например, корабль, футбольный мяч, человек), то говорят о средней плотности тела; ее вычисляют по формуле: где ρ— средняя плотность тела; V — объем тела; m — масса тела. Так, средняя плотность тела человека чуть больше Зная объем тела и его плотность (плотность вещества, из которого оно изготовлено, или среднюю плотность тела), можно определить массу тела без взвешивания. Действительно, если Соответственно, зная массу тела и его плотность, можно найти объем тела:

Итоги:

Плотность вещества — это физическая величина, которая характеризует вещество и равна отношению массы однородного тела, изготовленного из данного вещества, к объему этого тела. Плотность можно определить по формуле

Единица плотности в СИ — килограмм на метр кубический Также используют единицу плотности грамм на сантиметр кубический Эти единицы связаны соотношением: Зная объем тела и его среднюю плотность, можно найти массу тела: . По известным массе и плотности можно найти объем тела: .

Напомним: приступив к решению задачи по физике, сначала следует несколько раз внимательно прочитать ее условие и понять, какое явление описано в задаче, какое тело рассматривается. Другими словами, нужно четко представить ситуацию, которую описывает задача, а уже потом приступать к поиску ответа. Итак, внимательно читаем, думаем, решаем. Попробуйте сначала поработать над каждой задачей самостоятельно, а уже потом ознакомьтесь с ее решением в учебнике.

• Заказать решение задач по физике

Пример №1

Однородный кубик с ребром 2 см имеет массу 20 г. Из какого вещества изготовлен кубик? Анализ физической проблемы. Для ответа на вопрос определим плотность вещества, из которого изготовлен кубик, а потом воспользуемся таблицей плотностей. Задачу будем решать в единицах, данных в условии.

Дано:

,.

Найти:

Решение:

По определению плотности:

Объем куба вычисляют по формуле:

Следовательно, имеем:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результата. Из таблицы плотностей узнаем, что плотность имеет стекло.

Ответ: кубик, возможно, изготовлен из стекла.

Пример №2

Свинцовый шар объемом имеет массу 0,565 кг. Определите, однородный этот шар или имеет пустоту. Если в шаре есть пустота, вычислите ее объем. Анализ физической проблемы. Выполним пояснительный рисунок. Если объем свинца меньше объема шара , то шар имеет пустоту, объем которой равен: Определяя объем свинца, будем считать, что масса свинца равна массе шара:

Плотность свинца найдем в таблице плотностей. В данной задаче массу лучше выразить в граммах, объем — в сантиметрах кубических, плотность — в граммах на сантиметр кубический.

Дано:

,,,

Найти:

Решение:

1. Определим объем свинца.

По определению плотности:поэтому

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результатов: , следовательно, шар имеет пустоту.

2. Вычислим объем пустоты:

Ответ:

Пример №3

Сколько железнодорожных цистерн емкостью каждая требуется для перевозки 1080 т нефти? Анализ физической проблемы. Количество цистерн можно найти, разделив общий объем нефти (V) на емкость одной цистерны . Общий объем нефти определим по ее массе и плотности. Плотность нефти найдем в таблице плотностей. Задачу будем решать в единицах СИ.

Дано:

,,

Найти:

Решение:

Из определения плотности найдем общий объем нефти:

Определим общее количество цистерн:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результатов. Количество цистерн, полученное в результате расчетов, вполне реально.

Ответ: N=54.

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.

• При вычислении плотности газов при нормальных условиях эта формула может быть записана и в виде:

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.

• Самую низкую плотность имеет межгалактическая среда (2·10⁻³¹—5·10⁻³¹ кг/м³, без учёта тёмной материи)^[3].
• Плотность межзвёздной среды приблизительно равна 10⁻²³—10⁻²¹ кг/м³.
• Средняя плотность красных гигантов в пределах их фотосфер много меньше, чем у Солнца — из-за того, что их радиус в сотни раз больше при сравнимой массе.
• Плотность газообразного водорода (самого лёгкого газа) при нормальных условиях равна 0,0899 кг/м³.
• Плотность сухого воздуха при нормальных условиях составляет 1,293 кг/м³.
• Один из самых тяжёлых газов, гексафторид вольфрама, примерно в 10 раз тяжелее воздуха (12,9 кг/м³ при +20 °C)
• Жидкий водород при атмосферном давлении и температуре −253 °C имеет плотность 70 кг/м³.
• Плотность жидкого гелия при атмосферном давлении равна 130 кг/м³.
• Усреднённая плотность тела человека от 940—990 кг/м³ при полном вдохе, до 1010—1070 кг/м³ при полном выдохе.
• Плотность пресной воды при 4 °C 1000 кг/м³.
• Средняя плотность Солнца в пределах фотосферы около 1410 кг/м³, примерно в 1,4 раза выше плотности воды.
• Гранит имеет плотность 2600 кг/м³.
• Средняя плотность Земли равна 5520 кг/м³.
• Плотность железа равна 7874 кг/м³.
• Плотность металлического урана 19100 кг/м³.
• Плотность атомных ядер приблизительно 2·10¹⁷ кг/м³.
• Теоретически верхняя граница плотности по современным физическим представлениям это планковская плотность 5,1·10⁹⁶ кг/м³.

Плотности астрономических объектов

• 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:

• Пикнометр — прибор для измерения истинной плотности
• Различные виды ареометров — измерители плотности жидкостей.
• Бурик Качинского и бур Зайдельмана — приборы для измерения плотности почвы.
• Вибрационный плотномер — прибор для измерения плотности жидкости и газа под давлением.

См. также

• Список химических элементов с указанием их плотности
• Удельный вес
• Удельная плотность
• Относительная плотность
• Объёмная плотность
• Конденсация
• Консистенция (лат. consistere — состоять) — состояние вещества, степень мягкости или плотности (твёрдости) чего-либо — полутвердых-полумягких веществ (масел, мыла, красок, строительных растворов и т. д.); наприм., глицерин имеет сиропообразную консистенцию.
• Консистометр — прибор для измерения в условных физических единицах консистенции различных коллоидных и желеобразных веществ, а также суспензий и грубодисперсных сред, к примеру, паст, линиментов, гелей, кремов, мазей.
• Концентрация частиц
• Концентрация растворов
• Плотность заряда
• Уравнение неразрывности

Примечания

Литература

• Плотность — статья из Большой советской энциклопедии.  — М.: «Советская Энциклопедия», 1975. — Т. 20. — С. 49.
• Плотность — статья из Физической энциклопедии. Т. 3, С. 637.
• Krebs R. E.  The History and Use of Our Earth’s Chemical Elements: A Reference Guide. 2nd edition. — Westport: Greenwood Publishing Group, 2006. — xxv + 422 p. — ISBN 0-313-33438-2.

Ссылки

• Онлайн интерактивная таблица плотности веществ (рус.)
• Подробная таблица значений плотности распространенных жидкостей (рус.)