Как найти размерность плотности

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.)

Содержание:

• Определение и формула плотности вещества
• Виды плотности вещества
• Единицы измерения плотности вещества
• Примеры решения задач

Определение и формула плотности вещества

Виды плотности вещества

Применяя выражение (1) для определения плотности, говорят о плотности тела в точке.

Плотность тела зависит от материала тела и его термодинамического состояния.

В том случае, если тело можно считать однородным (плотность вещества во всем теле одинакова (
$rho = const$), то $rho$ определяют следующей формулой:

$$rho=frac{m}{V}$$

где m – масса тела, V – объем тела.

Если тело является неоднородным, то иногда пользуются понятием средней плотности
$langlerhorangle$, которая рассчитывается как:

$$langlerhorangle=frac{m}{V}(3)$$

где m – масса тела, V – объем тела. В технике для неоднородных (например, сыпучих) тел используют понятие объемной плотности.
Объемную плотность рассчитывают так же как $langlerhorangle=frac{m}{V}(3)$ (3). Объем определяют,
включая промежутки в сыпучих и рыхлых материалах (таких как: песок, гравий, зерно и т.д.).

При рассмотрении газов, находящихся в нормальных условиях для вычисления плотности применяют формулу:

$$rho=frac{mu}{V_{mu}}(4)$$

где $mu$ – молярная масса газа,
$V_{mu}$ – молярный объем газа, который при нормальных условиях составляет 22,4 л/моль.

Единицы измерения плотности вещества

В соответствии с определением, можно записать, что
единицами измерения плотности в системе СИ служит: [$rho$]=кг/м³

в СГС: [$rho$]=г/(см)³

При этом: 1 кг/м³ = (10)^-3 г/(см)³ .

Примеры решения задач

Читать дальше: Формула потенциальной энергии.

From Wikipedia, the free encyclopedia

Density
A test tube holding four non-miscible colored liquids with different densities
Common symbols	ρ, D
SI unit	kg/m3
Extensive?	No
Intensive?	Yes
Conserved?	No
Derivations from other quantities
Dimension

Density (volumetric mass density or specific mass) is the substance’s mass per unit of volume. The symbol most often used for density is ρ (the lower case Greek letter rho), although the Latin letter D can also be used. Mathematically, density is defined as mass divided by volume:^[1]

where ρ is the density, m is the mass, and V is the volume. In some cases (for instance, in the United States oil and gas industry), density is loosely defined as its weight per unit volume,^[2] although this is scientifically inaccurate – this quantity is more specifically called specific weight.

For a pure substance the density has the same numerical value as its mass concentration.
Different materials usually have different densities, and density may be relevant to buoyancy, purity and packaging. Osmium and iridium are the densest known elements at standard conditions for temperature and pressure.

To simplify comparisons of density across different systems of units, it is sometimes replaced by the dimensionless quantity «relative density» or «specific gravity», i.e. the ratio of the density of the material to that of a standard material, usually water. Thus a relative density less than one relative to water means that the substance floats in water.

The density of a material varies with temperature and pressure. This variation is typically small for solids and liquids but much greater for gases. Increasing the pressure on an object decreases the volume of the object and thus increases its density. Increasing the temperature of a substance (with a few exceptions) decreases its density by increasing its volume. In most materials, heating the bottom of a fluid results in convection of the heat from the bottom to the top, due to the decrease in the density of the heated fluid, which causes it to rise relative to denser unheated material.

The reciprocal of the density of a substance is occasionally called its specific volume, a term sometimes used in thermodynamics. Density is an intensive property in that increasing the amount of a substance does not increase its density; rather it increases its mass.

Other conceptually comparable quantities or ratios include specific density, relative density (specific gravity), and specific weight.

History

In a well-known but probably apocryphal tale, Archimedes was given the task of determining whether King Hiero’s goldsmith was embezzling gold during the manufacture of a golden wreath dedicated to the gods and replacing it with another, cheaper alloy.^[3] Archimedes knew that the irregularly shaped wreath could be crushed into a cube whose volume could be calculated easily and compared with the mass; but the king did not approve of this. Baffled, Archimedes is said to have taken an immersion bath and observed from the rise of the water upon entering that he could calculate the volume of the gold wreath through the displacement of the water. Upon this discovery, he leapt from his bath and ran naked through the streets shouting, «Eureka! Eureka!» (Εύρηκα! Greek «I have found it»). As a result, the term «eureka» entered common parlance and is used today to indicate a moment of enlightenment.

The story first appeared in written form in Vitruvius’ books of architecture, two centuries after it supposedly took place.^[4] Some scholars have doubted the accuracy of this tale, saying among other things that the method would have required precise measurements that would have been difficult to make at the time.^[5][6]

Measurement of density

A number of techniques as well as standards exist for the measurement of density of materials. Such techniques include the use of a hydrometer (a buoyancy method for liquids), Hydrostatic balance (a buoyancy method for liquids and solids), immersed body method (a buoyancy method for liquids), pycnometer (liquids and solids), air comparison pycnometer (solids), oscillating densitometer (liquids), as well as pour and tap (solids).^[7] However, each individual method or technique measures different types of density (e.g. bulk density, skeletal density, etc.), and therefore it is necessary to have an understanding of the type of density being measured as well as the type of material in question.

Unit

From the equation for density (ρ = m/V), mass density has any unit that is mass divided by volume. As there are many units of mass and volume covering many different magnitudes there are a large number of units for mass density in use. The SI unit of kilogram per cubic metre (kg/m³) and the cgs unit of gram per cubic centimetre (g/cm³) are probably the most commonly used units for density. One g/cm³ is equal to 1000 kg/m³. One cubic centimetre (abbreviation cc) is equal to one millilitre. In industry, other larger or smaller units of mass and or volume are often more practical and US customary units may be used. See below for a list of some of the most common units of density.

Homogeneous materials

The density at all points of a homogeneous object equals its total mass divided by its total volume. The mass is normally measured with a scale or balance; the volume may be measured directly (from the geometry of the object) or by the displacement of a fluid. To determine the density of a liquid or a gas, a hydrometer, a dasymeter or a Coriolis flow meter may be used, respectively. Similarly, hydrostatic weighing uses the displacement of water due to a submerged object to determine the density of the object.

Heterogeneous materials

If the body is not homogeneous, then its density varies between different regions of the object. In that case the density around any given location is determined by calculating the density of a small volume around that location. In the limit of an infinitesimal volume the density of an inhomogeneous object at a point becomes: , where is an elementary volume at position . The mass of the body then can be expressed as

Non-compact materials

In practice, bulk materials such as sugar, sand, or snow contain voids. Many materials exist in nature as flakes, pellets, or granules.

Voids are regions which contain something other than the considered material. Commonly the void is air, but it could also be vacuum, liquid, solid, or a different gas or gaseous mixture.

The bulk volume of a material—inclusive of the void fraction—is often obtained by a simple measurement (e.g. with a calibrated measuring cup) or geometrically from known dimensions.

Mass divided by bulk volume determines bulk density. This is not the same thing as volumetric mass density.

To determine volumetric mass density, one must first discount the volume of the void fraction. Sometimes this can be determined by geometrical reasoning. For the close-packing of equal spheres the non-void fraction can be at most about 74%. It can also be determined empirically. Some bulk materials, however, such as sand, have a variable void fraction which depends on how the material is agitated or poured. It might be loose or compact, with more or less air space depending on handling.

In practice, the void fraction is not necessarily air, or even gaseous. In the case of sand, it could be water, which can be advantageous for measurement as the void fraction for sand saturated in water—once any air bubbles are thoroughly driven out—is potentially more consistent than dry sand measured with an air void.

In the case of non-compact materials, one must also take care in determining the mass of the material sample. If the material is under pressure (commonly ambient air pressure at the earth’s surface) the determination of mass from a measured sample weight might need to account for buoyancy effects due to the density of the void constituent, depending on how the measurement was conducted. In the case of dry sand, sand is so much denser than air that the buoyancy effect is commonly neglected (less than one part in one thousand).

Mass change upon displacing one void material with another while maintaining constant volume can be used to estimate the void fraction, if the difference in density of the two voids materials is reliably known.

Changes of density

In general, density can be changed by changing either the pressure or the temperature. Increasing the pressure always increases the density of a material. Increasing the temperature generally decreases the density, but there are notable exceptions to this generalization. For example, the density of water increases between its melting point at 0 °C and 4 °C; similar behavior is observed in silicon at low temperatures.

The effect of pressure and temperature on the densities of liquids and solids is small. The compressibility for a typical liquid or solid is 10⁻⁶ bar⁻¹ (1 bar = 0.1 MPa) and a typical thermal expansivity is 10⁻⁵ K⁻¹. This roughly translates into needing around ten thousand times atmospheric pressure to reduce the volume of a substance by one percent. (Although the pressures needed may be around a thousand times smaller for sandy soil and some clays.) A one percent expansion of volume typically requires a temperature increase on the order of thousands of degrees Celsius.

In contrast, the density of gases is strongly affected by pressure. The density of an ideal gas is

where M is the molar mass, P is the pressure, R is the universal gas constant, and T is the absolute temperature. This means that the density of an ideal gas can be doubled by doubling the pressure, or by halving the absolute temperature.

In the case of volumic thermal expansion at constant pressure and small intervals of temperature the temperature dependence of density is

where is the density at a reference temperature, is the thermal expansion coefficient of the material at temperatures close to .

Density of solutions

The density of a solution is the sum of mass (massic) concentrations of the components of that solution.

Mass (massic) concentration of each given component in a solution sums to density of the solution,

Expressed as a function of the densities of pure components of the mixture and their volume participation, it allows the determination of excess molar volumes:

provided that there is no interaction between the components.

Knowing the relation between excess volumes and activity coefficients of the components, one can determine the activity coefficients:

Densities

Various materials

This section is about the listing of only certain chemical elements. For the densities of all chemical elements, see List of chemical elements.

Densities of various materials covering a range of values

Material	ρ (kg/m3)[note 1]	Notes
Hydrogen	0.0898
Helium	0.179
Aerographite	0.2	[note 2][8][9]
Metallic microlattice	0.9	[note 2]
Aerogel	1.0	[note 2]
Air	1.2	At sea level
Tungsten hexafluoride	12.4	One of the heaviest known gases at standard conditions
Liquid hydrogen	70	At approximately −255 °C
Styrofoam	75	Approximate[10]
Cork	240	Approximate[10]
Pine	373	[11]
Lithium	535	Least dense metal
Wood	700	Seasoned, typical[12][13]
Oak	710	[11]
Potassium	860	[14]
Ice	916.7	At temperature < 0 °C
Cooking oil	910–930
Sodium	970
Water (fresh)	1,000	At 4 °C, the temperature of its maximum density
Water (salt)	1,030	3%
Liquid oxygen	1,141	At approximately −219 °C
Nylon	1,150
Plastics	1,175	Approximate; for polypropylene and PETE/PVC
Glycerol	1,261	[15]
Tetrachloroethene	1,622
Sand	1,600	Between 1,600 and 2000 [16]
Magnesium	1,740
Beryllium	1,850
Silicon	2,330
Concrete	2,400	[17][18]
Glass	2,500	[19]
Quartzite	2,600	[16]
Granite	2,700	[16]
Gneiss	2,700	[16]
Aluminium	2,700
Limestone	2,750	Compact[16]
Basalt	3,000	[16]
Diiodomethane	3,325	Liquid at room temperature
Diamond	3,500
Titanium	4,540
Selenium	4,800
Vanadium	6,100
Antimony	6,690
Zinc	7,000
Chromium	7,200
Tin	7,310
Manganese	7,325	Approximate
Iron	7,870
Mild steel	7,850
Niobium	8,570
Brass	8,600	[18]
Cadmium	8,650
Cobalt	8,900
Nickel	8,900
Copper	8,940
Bismuth	9,750
Molybdenum	10,220
Silver	10,500
Lead	11,340
Thorium	11,700
Rhodium	12,410
Mercury	13,546
Tantalum	16,600
Uranium	19,100
Tungsten	19,300
Gold	19,320
Plutonium	19,840
Rhenium	21,020
Platinum	21,450
Iridium	22,420
Osmium	22,570	Densest natural element on Earth

Others

Entity	ρ (kg/m3)	Notes
Interstellar medium	1.7×10−26	Based on 10−5 hydrogen atoms per cubic centimetre[20]
Local Interstellar Cloud	5×10−22	Based on 0.3 hydrogen atoms per cubic centimetre[20]
Interstellar medium	1.7×10−16	Based on 105 hydrogen atoms per cubic centimetre[20]
The Earth	5,515	Mean density.[21]
Earth’s inner core	13,000	Approx., as listed in Earth.[22]
The core of the Sun	33,000–160,000	Approx.[23]
White dwarf star	2.1×109	Approx.[24]
Atomic nuclei	2.3×1017	Does not depend strongly on size of nucleus[25]
Neutron star	1×1018

Water

Density of liquid water at 1 atm pressure

Temp. (°C)[note 1]	Density (kg/m3)
−30	983.854
−20	993.547
−10	998.117
0	999.8395
4	999.9720
10	999.7026
15	999.1026
20	998.2071
22	997.7735
25	997.0479
30	995.6502
40	992.2
60	983.2
80	971.8
100	958.4
Notes: ^ Values below 0 °C refer to supercooled water.

Air

Density of air at 1 atm pressure

T (°C)	ρ (kg/m3)
−25	1.423
−20	1.395
−15	1.368
−10	1.342
−5	1.316
0	1.293
5	1.269
10	1.247
15	1.225
20	1.204
25	1.184
30	1.164
35	1.146

Molar volumes of liquid and solid phase of elements

Common units

The SI unit for density is:

• kilogram per cubic metre (kg/m³)

The litre and tonne are not part of the SI, but are acceptable for use with it, leading to the following units:

• kilogram per litre (kg/L)
• gram per millilitre (g/mL)
• tonne per cubic metre (t/m³)

Densities using the following metric units all have exactly the same numerical value, one thousandth of the value in (kg/m³). Liquid water has a density of about 1 kg/dm³, making any of these SI units numerically convenient to use as most solids and liquids have densities between 0.1 and 20 kg/dm³.

• kilogram per cubic decimetre (kg/dm³)
• gram per cubic centimetre (g/cm³)
  • 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
• megagram (metric ton) per cubic metre (Mg/m³)

In US customary units density can be stated in:

• Avoirdupois ounce per cubic inch (1 g/cm³ ≈ 0.578036672 oz/cu in)
• Avoirdupois ounce per fluid ounce (1 g/cm³ ≈ 1.04317556 oz/US fl oz = 1.04317556 lb/US fl pint)
• Avoirdupois pound per cubic inch (1 g/cm³ ≈ 0.036127292 lb/cu in)
• pound per cubic foot (1 g/cm³ ≈ 62.427961 lb/cu ft)
• pound per cubic yard (1 g/cm³ ≈ 1685.5549 lb/cu yd)
• pound per US liquid gallon (1 g/cm³ ≈ 8.34540445 lb/US gal)
• pound per US bushel (1 g/cm³ ≈ 77.6888513 lb/bu)
• slug per cubic foot

Imperial units differing from the above (as the Imperial gallon and bushel differ from the US units) in practice are rarely used, though found in older documents. The Imperial gallon was based on the concept that an Imperial fluid ounce of water would have a mass of one Avoirdupois ounce, and indeed 1 g/cm³ ≈ 1.00224129 ounces per Imperial fluid ounce = 10.0224129 pounds per Imperial gallon. The density of precious metals could conceivably be based on Troy ounces and pounds, a possible cause of confusion.

Knowing the volume of the unit cell of a crystalline material and its formula weight (in daltons), the density can be calculated. One dalton per cubic ångström is equal to a density of 1.660 539 066 60 g/cm³.

See also

References

External links

• «Density» . Encyclopædia Britannica. Vol. 8 (11th ed.). 1911.
• «Density» . The New Student’s Reference Work . 1914.
• Video: Density Experiment with Oil and Alcohol
• Video: Density Experiment with Whiskey and Water
• Glass Density Calculation – Calculation of the density of glass at room temperature and of glass melts at 1000 – 1400°C
• List of Elements of the Periodic Table – Sorted by Density
• Calculation of saturated liquid densities for some components
• Field density test
• Water – Density and specific weight
• Temperature dependence of the density of water – Conversions of density units
• A delicious density experiment
• Water density calculator Archived July 13, 2011, at the Wayback Machine Water density for a given salinity and temperature.
• Liquid density calculator Select a liquid from the list and calculate density as a function of temperature.
• Gas density calculator Calculate density of a gas for as a function of temperature and pressure.
• Densities of various materials.
• Determination of Density of Solid, instructions for performing classroom experiment.
• Lam EJ, Alvarez MN, Galvez ME, Alvarez EB (2008). «A model for calculating the density of aqueous multicomponent electrolyte solutions». Journal of the Chilean Chemical Society. 53 (1): 1393–8. doi:10.4067/S0717-97072008000100015.
• Radović IR, Kijevčanin ML, Tasić AŽ, Djordjević BD, Šerbanović SP (2010). «Derived thermodynamic properties of alcohol+ cyclohexylamine mixtures». Journal of the Serbian Chemical Society. 75 (2): 283–293. CiteSeerX 10.1.1.424.3486. doi:10.2298/JSC1002283R.

Плотность
Размерность	L−3M
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. 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 осмий (22 587 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:

• 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:

• Пикнометр — прибор для измерения истинной плотности
• Ареометр (денсиметр, плотномер) — измеритель 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

• Удельный вес
• Удельная плотность
• Относительная плотность
• Объемная плотность
• Концентрация частиц
• Концентрация растворов
• Плотность заряда

Примечания

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.

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.