Une fois que les élèves se sont familiarisés avec le concept de masse et de volume des substances en physique, ils étudient une caractéristique importante de tout corps, appelée densité. L'article ci-dessous est consacré à cette valeur. Les questions de la signification physique de la densité sont révélées ci-dessous. La formule de densité est également donnée. Des méthodes pour sa mesure expérimentale sont décrites.
Le concept de densité
Commençons l'article par un enregistrement direct de la formule de la densité de la matière. Il ressemble à ceci:
ρ=m / V.
Ici m est la masse du corps considéré. Elle est exprimée dans le système SI en kilogrammes. Dans les tâches et dans la pratique, vous pouvez également trouver d'autres unités de sa mesure, par exemple des grammes ou des tonnes.
Le symbole V dans la formule désigne le volume qui caractérise les paramètres géométriques du corps. Il est mesuré en SI en mètres cubes, cependant, les kilomètres cubes, litres, millilitres, etc. sont également utilisés.
La formule de densité montre quelle masse d'une substance est contenue dans une unitéle volume. En utilisant la valeur de ρ, on peut estimer lequel des deux corps aura un poids plus grand avec des volumes égaux, ou lequel des deux corps aura un volume plus grand avec des masses égales. Par exemple, le bois est moins dense que le fer. Par conséquent, à volumes égaux de ces substances, la masse de fer dépassera considérablement la même valeur pour un arbre.
Le concept de densité relative
Le nom même de cette grandeur indique que la valeur étudiée pour un corps sera considérée par rapport à une caractéristique similaire pour un autre. La formule de densité relative ρr ressemble à ceci:
ρr=ρs / ρ0.
Où ρs est la densité du matériau mesuré, ρ0 est la densité par rapport à laquelle la valeur ρ r est mesuré . Évidemment, ρr est sans dimension. Il indique combien de fois la substance mesurée est plus dense que l'étalon sélectionné.
Pour les liquides et les solides, en standard ρ0 choisir cette valeur pour de l'eau distillée à une température de 4 oC. C'est à cette température que l'eau a une densité maximale, qui est une valeur commode pour les calculs - 1000 kg/m3 ou 1 kg/l
Pour les systèmes à gaz, il est d'usage d'utiliser la densité de l'air à pression atmosphérique et température 0 en standard oC.
Dépendance de la densité sur la pression et la température
La valeur étudiée n'est pas constante pour un corps particulier,si vous modifiez sa température ou sa pression externe. Cependant, les liquides et les solides sont incompressibles dans de nombreuses situations, ce qui signifie que leur densité reste constante lorsque la pression change ainsi que la température.
L'influence de la pression se manifeste comme suit: lorsqu'elle augmente, les distances interatomiques et intermoléculaires moyennes diminuent, ce qui augmente le nombre de moles d'une substance par unité de volume. La densité augmente donc. Une nette influence de la pression sur la caractéristique étudiée est observée dans le cas des gaz.
La température a l'effet inverse de la pression. Avec une augmentation de la température, l'énergie cinétique des particules de matière augmente, elles commencent à se déplacer plus activement, ce qui entraîne une augmentation des distances moyennes entre elles. Ce dernier fait conduit à une diminution de la densité.
Encore une fois, cet effet est plus prononcé pour les gaz que pour les liquides et les solides. Il y a une exception à cette règle - c'est de l'eau. Il a été expérimentalement établi que dans la plage de température 0-4 oС sa densité augmente avec le chauffage.
Corps homogènes et non homogènes
La formule de densité écrite ci-dessus correspond à ce que l'on appelle la moyenne ρ pour le corps considéré. Si nous y allouons un petit volume, la valeur calculée ρi peut différer considérablement de la valeur précédente. Ce fait est lié à la présence d'une répartition non uniforme de la masse sur le volume. Dans ce cas, la densitéρi est appelé local.
Considérant la question de la distribution non uniforme de la matière, il semble intéressant de clarifier un point. Lorsque nous commençons à considérer un volume élémentaire proche des échelles atomiques, le concept de continuité du milieu est violé, ce qui signifie que cela n'a aucun sens d'utiliser la caractéristique de densité locale. On sait que la quasi-totalité de la masse d'un atome est concentrée dans son noyau, dont le rayon est d'environ 10-13 mètres. La densité du noyau est estimée par un chiffre énorme. C'est 2, 31017 kg/m3.
Mesure de densité
Il a été montré ci-dessus que, conformément à la formule, la densité est égale au rapport de la masse au volume. Ce fait nous permet de déterminer la caractéristique spécifiée en pesant simplement le corps et en mesurant ses paramètres géométriques.
Si la forme du corps est très complexe, la méthode universelle pour déterminer la densité sera la pesée hydrostatique. Il est basé sur l'utilisation de la force d'Archimède. L'essence de la méthode est simple. Le corps est d'abord pesé dans l'air puis dans l'eau. La différence de poids est utilisée pour calculer la densité inconnue. Pour ce faire, utilisez la formule suivante:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l),
où P0, Pl - poids corporel dans l'air et le liquide. En conséquence, ρl est la densité du liquide.
La méthode de pesée hydrostatique pour déterminer la densité, selon la légende, a été utilisée pour la première fois par un philosophe de SyracuseArchimède. Il a pu, sans violer l'intégrité physique de la couronne, déterminer que non seulement de l'or, mais aussi d'autres métaux moins denses ont été utilisés pour la fabriquer.
