Масса единицы объема материала в естественном состоянии

Физические свойства. Плотность – это масса единицы объема материала

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Физические свойства

Плотность – это масса единицы объема материала. Различают плотность вещества в абсолютно-плотном состоянии (истинную плотность) и плотность материала в естественном состоянии, с учетом имеющихся в нем пор и пустот . Плотность материалов в естественном состоянии принято называть средней плотностью. Среднюю плотность сыпучих материалов часто называют насыпной плотностью. Истинную и среднюю плотности материала вычисляют по формулам:

= г/см3 = кг/м3,

где — масса материала, кг;

— объем вещества в абсолютно плотном состоянии, без пор и пустот, м3;

— объем материала в естественном состоянии, вместе с порами и пустотами, м3.

Для определения истинной плотности материала применяют колбу Ле-Шателье-Кандло. Колба позволяет с достаточно высокой точностью определять объем исследуемого вещества. В колбу, до нулевой отметки, наливают инертную жидкость. Навеску порошка, полученного дроблением и помолом материала, небольшими порциями всыпают в колбу до тех пор, пока уровень жидкости не поднимется до отметки, соответствующей объему 20 см3. Плотность вещества вычисляют делением массы всыпанного порошка на вытесненный объем.

Для определения средней плотности материала требуется установить его объем в естественном состоянии, вместе с порами и пустотами. В зависимости от формы образца материала используют разные методы определения объема. Если материал представлен образцами правильной геометрической формы, измерение его объема сводится к измерению его линейных размеров с последующим расчетом объема по известным геометрическим формулам. Объем образцов неправильной геометрической формы определяют гидростатическим взвешиванием или в объемомере. С целью защиты порового пространства от проникновения воды при измерении объема погружением в воду, образцы предварительно покрывают пленкой парафина, или, при малой пористости, предварительно насыщают водой. При испытании на гидростатических весах объем образцов неправильной геометрической формы определяют по формуле

= , см3,

где — масса насыщенного водой образца, определенная взвешиванием на воздухе, г;

– масса насыщенного водой образца, определенная взвешиванием в воде, на гидростатических весах;

— плотность воды, принимаемая равной 1,0 г/см3.

Для определения объема образца в объемомере, объемомер наполняют водой с температурой 20±2°С до такого уровня, при котором она начинает вытекать из трубки. Когда из трубки прекратится падение капель, под нее ставят предварительно взвешенную емкость. Образец материала осторожно погружают на тонкой нити в объемомер. При этом вода, вытесненная образцом, через трубку вытекает в емкость. Объем образца, равный объему вытесненной воды, вычисляют по формуле:

= , см3,

где — масса пустой емкости, г;

— масса емкости с водой, вытесненной образцом, г;

— плотность воды, принимаемая равной 1,0 г/см3.

Если образец предварительно покрывался пленкой парафина, объем парафина устанавливают делением массы парафина на его плотность, принимаемую равной 0,93 г/см3. Объем образца вычисляют вычитая объем парафина из объема парафинированного образца.

При определении насыпной плотности объем сыпучего материала принимают равным объему стандартного сосуда цилиндрической формы. Материал насыпают в сосуд с высоты 10 см так, чтобы над сосудом образовался конус из материала. Конус снимают ребром линейки вровень с краями сосуда. Сосуд с материалом взвешивают.

Пористость — это величина, характеризующая степень заполнения объема материала порами. Если материал в естественном состоянии, то есть вместе с имеющимися в нем порами, заполняет объем , а в «абсолютно» плотном состоянии занимает объем , то отношение выражает относительную плотность d = . Соответственно, относительный объем пор определяется выражением (1- ). Исходя из этого, пористость в процентах вычисляют по формуле:

П = (1- )100, %

где — плотность вещества материала, определяемая при помощи колбы Ле-Шателье-Кандло, кг/м3;

– средняя плотность материала, кг/м3.

Как общий объем пор, так и структура порового пространства оказывает значительное влияние на другие свойства материалов. Например, увеличение пористости приводит к снижению прочности, средней плотности, теплопроводности. Открытая капиллярная пористость понижает морозостойкость. При равном объеме пор, в случае увеличения доли мелких замкнутых пор, теплопроводность уменьшается.

Влажность — это отношение массы воды, адсорбированной в порах материала, к его массе в сухом состоянии, выраженное в процентах. Влажность материалов обуславливается степенью их гигроскопичности, которая проявляется в способности материалов поглощать водяные пары из окружающего пространства и адсорбировать их на поверхности пор. Влажность материала растет с повышением относительной влажности окружающей среды, с понижением температуры и с увеличением давления. Влажность материалов устанавливают в результате высушивания проб до постоянной массы при температуре 105 °С и вычисляют по формуле:

= %,

где – масса влажного материала, г;

— масса сухого материала, г.

Повышение влажности материалов часто приводит к объемным деформациям, снижению прочности, а также сопровождается ростом теплопроводности и средней плотности. Влажность материалов необходимо также учитывать при их технологической переработке.

Водопоглощение – способность материала, погруженного в воду, поглощать и удерживать ее. Водопоглощение устанавливают методом водонасыщения проб материала, погруженных в воду. Водопоглощение показывает количество поглощенной воды в процентах от массы или объема материала в сухом состоянии :

Вм = 100 %, Во = 100 %,

Изменение условий насыщения образцов, в частности длительность водонасыщения, давление окружающей среды, влияют на величину водопоглощения, так как изменяется степень заполнения пор водой. Образцы следует выдерживать в воде до постоянной массы или в течение срока, указанного в стандарте.

Вода, поглощенная материалом, занимает только часть его объема, поэтому объемное водопоглощение всегда меньше 100 %. О водопоглощении по массе этого утверждать нельзя: В высокопористых материалах масса воды, содержащаяся в порах, часто превышает массу материала в сухом состоянии. Объемное водопоглощение может быть определено умножением водопоглощения по массе на среднюю плотность материала:

Во = Вм .

Поскольку объемное водопоглощение отражает степень заполнения пор материала водой, его используют для оценки пористости. Пористость, определенную по объемному водопоглощению, называют кажущейся, так как вода проникает только в открытые поры. Кроме того, вода не удерживается в крупных открытых порах – пустотах.

Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость материала характеризуют коэффициентом фильтрации. Коэффициент фильтрации рассчитывают по формуле:

Кф = ,

Коэффициент фильтрации показывает, какое количество воды проходит через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 ч при наличии перепада давлений на противоположных поверхностях 1 м. вод.ст.

Водонепроницаемость- свойство материала не пропускать воду под давлением. Водонепроницаемость материалов характеризуют величиной максимального гидростатического давления, при котором образец материала не фильтрует воду.

Определение водонепроницаемости рулонных гидроизоляционных материалов осуществляют в приборе, снабженном манометром и обеспечивающем создание избыточного гидростатического давления до 0,3 МПа. Испытанию подвергают образец материала в виде листа, площадью 150х150 мм, который устанавливают в верхней части камеры прибора, закрепляя герметично по контуру прижимной плитой. Через камеру по трубопроводу пропускается вода, напор которой создает одностороннее давление на поверхности образца. Величина давления контролируется с помощью манометра. При нормируемой величине давления образец не должен фильтровать воду.

В случае, когда необходимо определить водонепроницаемость при давлении 0,001 МПа, образец материала площадью 150х150 мм, укладывают на лист фильтровальной бумаги, размещенный на поверхности стеклянной пластинки. В середине образца вертикально устанавливают стальную трубу диаметром 100 мм, с толщиной стенок 2 мм и высотой до 120 мм. Нижний конец трубы должен быть отфрезерован. В месте примыкания трубы к поверхности испытуемого материала обмазкой горячим битумом создается водонепроницаемый при заданном давлении стык. В трубу наливается вода до риски, размещенной на внутренней поверхности трубы на высоте 100 мм, что обеспечивает создание на поверхности образца давления 0,001 МПа. После выдерживания образца под давлением в течение заданного времени необходимо проконтролировать, не появилось ли на поверхности фильтровальной бумаги мокрого пятна. Считают, что материал выдержал испытание, если фильтровальная бумага осталась сухой.

Водостойкость – это способность материала сохранять прочность при водонасыщении. Водостойкость оценивают с помощью коэффициента размягчения, который равен отношению прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии :

Кразм =

К водостойким относятся материалы, коэффициент размягчения которых больше 0,8. Эти материалы можно применять во влажных условиях эксплуатации без специальных мер защиты их от увлажнения.

Влажностные деформации — это изменения объема и размеров материалов происходящие вследствие изменения влажности. Влажностные деформации измеряются показателями усадки и набухания. Усадка – это сокращение размеров материала в воздушной среде или при сушке. Линейную усадку материала определяют по формуле:

= 1000, мм/м

где — первоначальная длина образца, м; — — абсолютные линейные деформации при последующих периодических замерах или после стабилизации процесса усадки, мм.

Набухание – приращение объема образца материала после его увлажнения или водонасыщения. Набухание определяют по формуле:

= 100, %

где — объем образца до водопоглощения, мм3; — объем материала после водопоглощения или увлажнения мм3.

Теплопроводность – это способность материала в той или иной степени проводить тепло через свою массу. Степень теплопроводности характеризуется величиной коэффициента теплопроводности. Коэффициент теплопроводности показывает какое количество тепла , Дж, будет проходить за время z = 1 c через стену из материала площадью = 1 м2 и толщиной = 1 м при разности температур ( ), равное одному градусу Кельвина

= ,

Теплопроводность строительных материалов определяют методом измерения стационарного потока тепла, проходящего через испытываемый материал. Стационарный тепловой поток образуется с помощью двух металлических теплообменников, поддерживающих заданные температуры на противоположных поверхностях образца материала. Плотность теплового потока измеряют с помощью преобразователей теплового потока. Температуру поверхностей материала измеряют термоэлектрическими преобразователями. Установка имеет теплоизоляционный кожух и снабжена прижимным устройством.

Коэффициенты теплопроводности различных строительных материалов изменяются в широких пределах. Чем выше пористость материала, тем ниже теплопроводность, так как коэффициент теплопроводности воздуха, заключенного в порах материалов, значительно меньше теплопроводности любого строительного материала и равен 0,023 Вт/м К.

Профессором Некрасовым В.П. предложена эмпирическая формула, отражающая зависимость коэффициента теплопроводности от средней плотности материала :

= 1,169( -0,14) , Вт/м К.

Эту формулу используют для приблизительных расчетов коэффициента теплопроводности. Строго говоря, не существует единой для всех материалов зависимости между теплопроводностью материала и его плотностью, так как на величину коэффициента теплопроводности оказывает влияние не только степень пористости, но также размер пор и структура материала. Установлено, что теплопроводность увеличивается по мере перехода от аморфной структуры к кристаллической. При равном объеме пор теплопроводность будет тем больше, чем крупнее размер пор. Имеет значение также, будут ли поры замкнутыми или сообщающимися. Явление конвекции, возникающее в крупных сообщающихся порах, увеличивает теплопроводность. Резко возрастает теплопроводность с повышением влажности материала, что связано с высокой теплопроводностью воды, которая в 20 раз больше, чем у воздуха. Влажность строительных конструкций в условиях эксплуатации необходимо учитывать при выполнении теплотехнических расчетов. Следует помнить, что теплопроводность увеличивается с повышением средней температуры, при которой происходит передача тепла.

Теплоемкость – это свойство материалов поглощать тепло при повышении температуры. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость материалов , которая показывает количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1 градус:

= , Дж/кг К,

где — количество тепла, затраченное на нагревание материала, Дж; — масса нагреваемого материала; — разность температур материала до и после нагревания, К.

Огнестойкость – это способность материалов сопротивляться действию огня без разрушения.

В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы подразделяют на три группы: сгораемые, трудносгораемые и несгораемые.

Сгораемые материалы под воздействием огня воспламеняются и продолжают гореть, тлеть или обугливаться при удалении источника огня. К сгораемым материалам относят древесину, битум и большинство пластмасс. Трудносгораемые материалы при наличии огня возгораются, тлеют или обугливаются. При удалении огня процессы горения, тления и обугливания в них прекращаются. К группе трудносгораемых материалов можно отнести фибролит, асфальтобетон и некоторые другие композиционные материалы в составе которых присутствует как минеральное, так и органическое сырье. Несгораемые материалы при действии огня не горят, не тлеют и не обугливаются. Примером несгораемых материалов могут служить стали, природные и искусственные каменные материалы.

Огнеупорность – свойство материалов противостоять, не деформируясь, действию высоких температур. Керамические материалы считают легкоплавкими, если их огнеупорность ниже 1350 °С. Огнеупорность тугоплавких материалов находится в интервале температур от 1350 °С до 1580 °С включительно. Огнеупорные материалы имеют огнеупорность выше 1580 °С.

Определение огнеупорности керамического сырья состоит в изготовлении из него трехгранной усеченной пирамиды и испытании ее нагревом. Эту пирамиду называют пироскопом. Пироскоп должен иметь высоту 30 мм, длина стороны нижнего основания должна составлять 8 мм, а верхнего, соответственно, 2 мм. После сушки пироскоп на огнеупорной подставке нагревают в печи. Огнеупорность керамического сырья соответствует температуре, при которой вершина пироскопа, размягчаясь и оседая, коснется своей вершиной подставки, на которой пироскоп стоит.

Температурное расширение – это способность материала расширяться при нагревании. Температурное расширение материала оценивается с помощью коэффициента линейного теплового расширения , который показывает относительное удлинение материала D при нагревании на = 1 °C:

= , °С-1

Температурное расширение строительных материалов и конструкций необходимо учитывать при возведении зданий и сооружений, предусматривая в протяженных сооружениях устройство температурных швов.

Термостойкость – это способность материалов выдерживать резкие смены высоких и низких температур. Термостойкость оценивают числом теплосмен, вызывающих предельно допустимую потерю прочности материала или числом теплосмен, вызывающих разрушение образцов материала.

Морозостойкость – это способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное циклическое замораживание и оттаивание.

Вода, находящаяся в порах, замерзает с увеличением объема почти на 9%. Это создает в порах материала внутренние напряжения, приводящие к образованию трещин и снижению прочности материала.

Марка материала по морозостойкости соответствует тому максимальному количеству циклов, после которого обеспечивается сохранение контролируемых показателей (прочности, массы) в пределах норм, установленных соответствующими стандартами.

Метод попеременного замораживания и оттаивания при испытании на морозостойкость был предложен русским ученым Н.А. Белелюбским на международной конференции по испытанию материалов в Дрездене и до настоящего времени применяется во всех странах. Замораживание образцов производят при температуре –15…-20 °С, так как при этой температуре обеспечивается замерзание воды в большинстве мелких пор и капилляров. Оттаивание образцов осуществляют в воде при комнатной температуре 18 2 °С.Такой метод определения морозостойкости является длительным, поскольку для проведения одного цикла испытаний затрачиваются 1 рабочий день В связи с тем, что в ряде случаев , требуется проведение 300 и более циклов, разработаны и ГОСТами предусмотрены, наряду с традиционным, ускоренные методы испытания на морозостойкость. Они основаны на использовании в качестве насыщающего раствора не воды, а растворов солей. Например, для определения морозостойкости бетонов применяют метод, предусматривающий насыщение образцов бетона 5 %-ным водным раствором хлорида натрия. Один цикл ускоренного метода приравнивается к 3…6 циклам традиционного метода. Еще более ускоряет испытание на морозостойкость бетона замораживание образцов в 5 %-ном растворе хлорида натрия при температуре –50 °С. Разработан метод ускоренного испытания бетонов на морозостойкость, основанный на измерении объемных деформаций материалов при однократном замораживании.замораживании.

Паропроницаемость — это способность материалов пропускать водяной пар при наличии перепада парциальных давлений на противоположных сторонах. Паропроницаемость материала характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который показывает количество водяного пара Q, мг, проходящее через плоскую однородную стенку из материала толщиной = 1 м и площадью = 1 м2 в течение времени = 1 ч при разности парциальных давлений водяного пара у противоположных поверхностей, равной ( ) = 1 Па:

= , мг/м ч Па

Для определения коэффициента паропроницаемости газобетона образец материала помещают в термостат с температурой воздуха 20 2 °С. Боковые грани образца покрывают пароизоляцией. Пространство под образцом изолировано сбоку металлическим кожухом , снизу – слоем резины. В этом пространстве размещают сосуд с насыщенным раствором сульфата калия, что обеспечивает под образцом стабилизацию относительной влажности воздуха на уровне 97 %. Над образцом в термостате поддерживается относительная влажность воздуха 54% за счет присутствия сосуда с насыщенным раствором азотнокислого магния. После установления стационарного потока водяного пара через образец, периодическим взвешиванием сосуда определяют количество водяного пара, проходящего через слой материала в течение часа.

Газопроницаемость (воздухопроницаемость) – это способность материалов пропускать через свою толщу газ (или воздух) при наличии перепада парциальных давлений газа (или воздуха) на противоположных поверхностях. Газопроницаемость материалов оценивается с помощью коэффициента газопроницаемости i, который показывает количество газа, кг, проходящее через плоскую однородную стенку из материала толщиной =1 м и площадью =1 м2 в течение времени =1 ч при разности парциальных давлений газа у противоположных поверхностей ( )= 1Па

i = , кг/ м ч Па

Звукопроницаемость — это способность материалов пропускать звук. Снижение уровня шума в зданиях и сооружениях достигается применением в строительстве материалов с пониженной звукопроницаемостью. Звукопроницаемость характеризуется коэффициентом звукопроницаемости , который показывает отношение интенсивности звука, переданного через слой материала , Дж/м2с, к интенсивности звука, падающего на поверхность материала :

= .

Звукопоглощение – способность строительного материала поглощать звук. Звукопоглощение характеризуется коэффициентом звукопоглощения , который показывает отношение неотраженной материалом звуковой энергии ( ) к энергии, падающей на него :

= .

Акустические материалы с повышенной звукопоглощающей способностью применяют для внутренней облицовки помещений с целью обеспечения оптимальных условий слышимости.

Радиоактивность. Практика показывает, что строительные материалы в той или иной степени сами могут являться источниками радиации, содержащими естественные радионуклеиды, в частности, изотопы радия , тория и калия . Поэтому они нуждаются в радиационно-гигиеническом контроле. Активность изотопа в радиоактивном источнике– это величина, равная отношению числа ядер , распавшихся в изотопе, к промежутку времени , за которое произошел распад : = , Бк. Единица активности нуклеида 1 Беккерель равна 1 распаду в секунду. Массовая активность – это величина, равная отношению активности источника к его массе: = , Бк/кг.

Для практических целей при радиационно-гигиенической оценке строительных материалов используют показатель удельной эффективной активности естественных радионуклеидов , которую рассчитывают по формуле:

= , Бк/кг.

Измерения массовой активности естественных радионуклеидов в материалах осуществляют с помощью переносных радиометром типа РКП-305МС. Для возведения жилых и общественных зданий разрешается применять материалы с показателем удельной эффективной активности естественных радионуклеидов, не превышающей 370 Бк/кг.

Способность материалов защищать от радиации. Наибольшей проникающей способностью обладает — излучение. Способность материала защищать от радиации принято характеризовать слоем материала, ослабляющего интенсивность — излучения вдвое.

Долговечность — свойство материалов длительно сохранять работоспособность без потери эксплуатационных качеств в заданных условиях. О долговечности материалов принято судить на основе периодического обследования состояния материалов в зданиях и сооружениях. Долговечность можно прогнозировать, моделируя основные эксплуатационные факторы в лабораторных условиях и наблюдая за изменением главных качественных характеристик строительных материалов. Долговечность материалов измеряют сроком службы. Строительными нормами предусмотрены 3 степени долговечности зданий, в зависимости от применяемых материалов: I – соответствует сроку службы 100 лет, II – соответственно 50 лет и III – 20 лет.

Тестовое задание № 1

Тестовое задание № 1

1. Масса единицы объема материала в естественном состоянии — вместе с порами и пустотами – это:
А) пористость
Б) плотность
В) средняя плотность
Г) истинная плотность

2. — это степень заполнения объема материала порами, содержание пор в материале.
А) насыпная плотность
Б) пористость
В) водопоглощение
Г) объем

3. Водопоглощение измеряется в…
А) кг
Б) м3
В) %
Г) нет правильного ответа

4. Каким коэффициентом характеризуется водостойкость?
А) размягчения
Б) критическим
В) нулевым
Г) водопроникаемости

5. Какие материалы более морозостойкие, чем пористые?
А) водопоглощаемые
Б) проводящие тепло
В) задерживающие теплоту
Г) плотные

6. К волокнистым материалам можно отнести:
А) пенопласт
Б) пластик
В) дерево
Г) бетон

7. Какой из перечисленных материалов при высокой температуре деформируется?
А) сталь
Б) торф
В) гранит
Г) мрамор

8. — способность материала сопротивляться проникновению в него другого твердого материала.
А) сопротивляемость
Б) твердость
В) напряжение
Г) прочность

Тестовое задание № 2

1. Способность материала сопротивляться разрушительному действию водных растворов щелочей – это:
А) кислотостойкость
Б) теплостойкость
В) токсичность
Г) щелочестойкость

2. – это способность материала приобретать заданную форму вследствие различных механических воздействий.
А) плавкость
Б) формуемость
В) полируемость
Г) слеживаемость

3. Сколько % железа в земной коре?
А) около 5
Б) до 71
В) около 8
Г) нет верного ответа

4. Другое название аморфного кремнезема:
А) кварцевое стекло
Б) халцедон
В) опал
Г) каолинит

5. Двойная углекислая соль кальция и магния — это:
А) ангидрид
Б) доломит
В) магнезит
Г) гипс

6. Другое название магматических горных пород?
А) кремнеземные
Б) глубинные
В) кристаллизационные
Г) ионные

7. Известковые туфы относят к … химическим осадкам
А) сульфатным
Б) сульфитным
В) карбонатным
Г) хлористым

8. – это обкатанные обломки горных пород
А) булыжник
Б) плиты
В) бутовый камень
Г) мел

Тестовое задание №3

1. К осколочным горным породам относят:
А) вулканический пепел
Б) гранит
В) диорит
Г) гравий

2. — это уменьшение линейных размеров и объема изделия при высушивании
А) пластичность
Б) воздушная усадка
В) общая усадка
Г) глазурь

3. Витринное стекло выпускают толщиной:
А) 2-10 см
Б) 5-12 см
В) 5-12 мм
Г) до 30 мм

4. Другое название многослойного стекла
А) диплекс
Б) триплекс
В) закаленное
Г) стемалит

5. Существует ли жидкое (растворимое стекло)?
А) да
Б) нет
В) только в теории
Г) нет правильного варианта

6. Время быстрогасимой извести:
А) до 20 минут
Б) до 5 минут
В) до 8 минут
Г) до 15 минут

7. Основной минерал клинкера, обеспечивает быстрое затвердевания и нарастание прочности портландцемента — это:
А) билит
Б) алит
В) алюминат
Г) силикат

8. Какой портландцемент предназначен для цементирования (бетонирования) скважин?
А) дорожный
Б) гидрофобный
В) пластифицированный
Г) тампонажный

Ответы.

Тест №1

1-в, 2- б, 3-в, 4-а, 5-г, 6- в, 7- а, 8-а.

Тест №2

1-г, 2-б, 3- а, 4-а, 5-б, 6-б, 7- в, 8-а.

Тест №3

1-а, 2-б, 3-в, 4-б, 5-а, 6-в, 7-б, 9-г.

Конвертер величин

Подробнее о плотности

Общие сведения

Плотность — свойство, которое определяет какое количество вещества по массе приходится на единицу объема. В системе СИ плотность измеряют в кг/м³, но также используются и другие единицы, например г/см³, кг/л и другие. В обиходе наиболее часто используют две равнозначные величины: г/см³ и кг/мл.

Факторы, влияющие на плотность вещества

Плотность одного и того же вещества зависит от температуры и давления. Обычно, чем выше давление, тем более плотно утрамбованы молекулы, что увеличивает плотность. В большинстве случаев увеличение температуры, наоборот, увеличивает расстояние между молекулами и уменьшает плотность. В некоторых случаях эта зависимость — обратная. Плотность льда, например, меньше плотности воды, несмотря на то, что лед холоднее воды. Объяснить это можно молекулярной структурой льда. Многие вещества, при переходе от жидкого к твердому агрегатному состоянию меняют молекулярную структуру так, что расстояние между молекулами уменьшается, и плотность, соответственно, увеличивается. Во время образования льда, молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру и расстояние между ними, наоборот, увеличивается. При этом притяжение между молекулами также изменяется, плотность уменьшается, а объем увеличивается. Зимой необходимо не забывать про это свойство льда — если вода в водопроводных трубах замерзает, то их может разорвать.

Лед плавает на границе между водой и менее плотным изопропиловым спиртом, окрашенным синим цветом.

Плотность воды

Если плотность материала, из которого сделан предмет, больше плотности воды, то он полностью погружается в воду. Материалы с плотностью, меньшей, чем у воды, наоборот всплывают на поверхность. Хороший пример — лед с меньшей плотностью, чем вода, всплывающий в стакане на поверхность воды и других напитков, состоящих по большей части из воды. Мы часто используем это свойство веществ в повседневной жизни. Например, при конструировании корпусов судов используют материалы с плотностью выше плотности воды. Поскольку материалы с плотностью выше, чем плотность воды, тонут, в корпусе судна всегда создаются наполненные воздухом полости, так как плотность воздуха намного ниже плотности воды. С другой стороны, иногда необходимо, чтобы предмет тонул в воде — для этого выбирают материалы с большей плотностью, чем у воды. Например, чтобы погрузить на достаточную глубину легкую наживку во время рыбалки, рыболовы привязывают к леске грузило из материалов, имеющих высокую плотность, например свинца.

Плотность жира ниже плотности воды, поэтому его легко удалять с поверхности супов, особенно охлажденных в холодильнике до температуры затвердевания жира. Удобно их удалять и с заливных, и холодца, как на фотографии. Фотография опубликована с разрешения автора.

Масло, жир и нефть остаются на поверхности воды, так как их плотность ниже плотности воды. Благодаря этому свойству, пролитую в океане нефть намного легче убирать. Если бы она смешивалась с водой или опускалась на морское дно, она наносила бы еще больший урон морской экосистеме. В кулинарии также используют это свойство, но не нефти, конечно, а жира. Например, очень легко удалить лишний жир из супа, так как он всплывает на поверхность. Если суп охладить в холодильнике, то жир застывает, и его еще легче убрать с поверхности ложкой, шумовкой, или даже вилкой. Таким же способом его удаляют с холодца и заливного. Это уменьшает калорийность и содержание холестерина в продукте.

Информацию о плотности жидкостей используют и во время приготовления напитков. Многослойные коктейли делают из жидкостей разной плотности. Обычно жидкости с меньшей плотностью аккуратно наливают на жидкости более высокой плотности. Можно также использовать стеклянную палочку для коктейля или барную ложку и медленно наливать по ним жидкость. Если не спешить и делать все аккуратно, то получится красивый многослойный напиток. Этот способ можно также использовать с желе или заливными блюдами, хотя, если позволяет время, проще охладить каждый слой отдельно, наливая новый слой только после того, как нижний слой затвердел.

Помидор черри плавает на границе между соленой водой внизу, окрашенной в розовый цвет, и пресной водой с меньшей плотностью вверху. Плотность помидора больше плотности чистой воды и меньше плотности соленой, поэтому он и оказался посредине.

В некоторых случаях меньшая плотность жира, наоборот, мешает. Продукты с высоким содержанием жира часто плохо смешиваются с водой и образуют отдельный слой, ухудшая этим не только вид, но и вкус продукта. Например, в холодных десертах и фруктовых коктейлях жирные молочные продукты иногда отделяются от нежирных, таких как вода, лед и фрукты.

Плотность соленой воды

Помидор черри плавает на границе между соленой водой внизу, окрашенной в розовый цвет, и пресной водой с меньшей плотностью вверху. Плотность помидора больше плотности чистой воды и меньше плотности соленой, поэтому он и оказался посредине.

Плотность воды зависит от содержания в ней примесей. В природе и в быту редко встречается чистая вода H2O без примесей — чаще всего в ней содержатся соли. Хороший пример — морская вода. Ее плотность выше, чем у пресной, поэтому пресная вода обычно «плавает» на поверхности соленой воды. Конечно, увидеть это явление в обычных условиях сложно, но если пресная вода заключена в оболочку, например в резиновый шар, то это хорошо видно, так как этот шар всплывает на поверхность. Наше тело — тоже своего рода оболочка, наполненная пресной водой. Мы состоим из воды от 45% до 75% — этот процент уменьшается с возрастом и с увеличением веса и количества жира в организме. Содержание жира не менее 5% от массы тела. У здоровых людей в организме до 10% жира, если они много занимаются спортом, до 20%, если у них нормальный вес, и от 25% и выше, если они страдают ожирением.

Если мы попробуем не плыть, а просто держаться на поверхности воды, то заметим, что в соленой воде это делать проще, так как ее плотность выше плотности пресной воды и жира, содержащегося в нашем теле. Концентрация соли в Мертвом море в 7 раз превышает среднюю концентрацию соли в океанах мира, и оно известно по всему миру тем, что люди могут легко держаться на поверхности воды и не тонуть. Хотя, думать, что погибнуть в этом море невозможно — ошибочно. На самом деле каждый год в этом море погибают люди. Высокое содержание соли делает воду опасной, если она попадает в рот, нос, и в глаза. Если наглотаться такой воды, то можно получить химический ожог — в тяжелых случаях таких неудачливых пловцов госпитализируют.

Плотность воздуха

Горячий воздух внутри этого воздушного шара имеет меньшую плотность, чем плотность окружающего воздуха. Это позволяет шару подняться в воздух и лететь. Руины древнего города Теотиуакан индейцев Майя, Мексика.

Также как и в случае с водой, тела с плотностью ниже плотности воздуха обладают положительной плавучестью, то есть взлетают. Хороший пример такого вещества — гелий. Его плотность равна 0,000178 г/см³, в то время как плотность воздуха приблизительно равна 0,001293 г/см³. Можно увидеть, как гелий взлетает в воздухе, если наполнить им воздушный шарик.

Плотность воздуха уменьшается по мере того, как увеличивается его температура. Это свойство горячего воздуха используют в воздушных шарах. Шар на фотографии в древнем городе Теотиуокан индейцев Майя в Мексике наполнен горячим воздухом, имеющим плотность меньше, чем плотность окружающего холодного утреннего воздуха. Именно поэтому шар летит на достаточно большой высоте. Пока шар пролетает над пирамидами, воздух в нем остывает, и его снова нагревают с помощью газовой горелки.

Вычисление плотности

Часто плотность веществ указывают для стандартных условий, то есть для температуры 0 °C и давления 100 кПа. В учебных и справочных пособиях обычно можно найти такую плотность для веществ, часто встречающихся в природе. Некоторые примеры приведены в таблице ниже. В некоторых случаях таблицы недостаточно и плотность необходимо вычислить вручную. В этом случае массу делят на объем тела. Массу легко найти с помощью весов. Чтобы узнать объем тела стандартной геометрической формы, можно использовать формулы для вычисления объема. Объем жидкостей и сыпучих веществ можно найти, наполнив веществом измерительную чашку. Для более сложных вычислений используют метод вытеснения жидкости.

Метод вытеснения жидкости

Для вычисления объема таким способом, сначала наливают определенное количество воды в мерный сосуд и помещают до полного погружения тело, объем которого необходимо вычислить. Объем тела равен разности объема воды без тела, и с ним. Считается, что это правило вывел Архимед. Измерить объем таким способом можно только в том случае, если тело не поглощает воду и не портится от воды. Например, мы не станем измерять методом вытеснения жидкости объем фотоаппарата или изделий из ткани.

Неизвестно, насколько эта легенда отражает реальные события, но считается, что царь Гиерон II дал Архимеду задание определить, сделана ли его корона из чистого золота. Царь подозревал, что его ювелир украл часть золота, выделенного на корону, и вместо этого сделал корону из более дешевого сплава. Архимед мог легко определить этот объем, расплавив корону, но царь приказал ему найти способ сделать это, не повредив короны. Считается, что Архимед нашел решение этой задачи, когда принимал ванну. Погрузившись в воду он заметил, что его тело вытеснило определенное количество воды, и понял, что объем вытесненной воды равен объему тела в воде.

Полые тела

Некоторые природные и искусственные материалы состоят из полых внутри частиц, или из частиц настолько маленьких, что эти вещества ведут себя как жидкости. Во втором случае, между частицами остается пустое место, заполненное воздухом, жидкостью, или другим веществом. Иногда это место оставаться пустым, то есть оно заполнено вакуумом. Пример таких веществ — песок, соль, зерно, снег и гравий. Объем таких материалов можно определить, измерив общий объем и вычтя из него определенный геометрическими вычислениями объем пустот. Этот способ удобен, если форма частиц более-менее однородна.

Для некоторых материалов количество пустого места зависит от того, насколько плотно утрамбованы частицы. Это усложняет вычисления, так как не всегда легко определить, сколько пустого места между частицами.

Таблица плотностей часто встречающихся в природе веществ

Вещество Плотность, г/см³
Жидкости
Вода при температуре 20 °C 0,998
Вода при температуре 4 °C 1,000
Бензин 0,700
Молоко 1,03
Ртуть 13,6
Твердые вещества
Лед при температуре 0°C 0,917
Магний 1,738
Алюминий 2,7
Железо 7,874
Медь 8,96
Свинец 11,34
Уран 19,10
Золото 19,30
Платина 21,45
Осмий 22,59
Газы при нормальных температуре и давлении
Водород 0,00009
Гелий 0,00018
Монооксид углерода 0,00125
Азот 0,001251
Воздух 0,001293
Углекислый газ 0,001977

Плотность и масса

В самолетах часто используют композиционные материалы вместо чистых металлов, так как в отличие от металлов, такие материалы имеют высокую упругость при малом весе. Воздушные винты этого самолета Bombardier Q400 изготовлены полностью из композиционных материалов.

В некоторых отраслях, например в авиации, необходимо использовать как можно более легкие материалы. Так как материалы низкой плотности также имеют низкую массу, в таких ситуациях стараются использовать материалы с наименьшей плотностью. Так, например, плотность алюминия всего 2,7 г/см³, в то время как плотность стали равна от 7,75 до 8,05 г/см³. Именно благодаря низкой плотности в 80% корпуса самолетов используют алюминий и его сплавы. Конечно, при этом стоит не забывать о прочности — сегодня мало кто делает самолеты из дерева, кожи, и других легких но малопрочных материалов.

В самолетах часто используют композиционные материалы вместо чистых металлов, так как в отличие от металлов, такие материалы имеют высокую упругость при малом весе. Воздушные винты этого самолета Bombardier Q400 изготовлены полностью из композиционных материалов.

Художественное изображение черной дыры, выполненное Американским ведомством НАСА.

Черные дыры

С другой стороны, чем выше масса вещества на данный объем — тем выше плотность. Черные дыры — пример физических тел с очень маленьким объемом и огромной массой, а соответственно — и огромной плотностью. Такое астрономическое тело поглощает свет и другие тела, находящиеся достаточно близко от него. Самые большие черные дыры называют сверхмассивными.

Литература

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *