Каково определение плотности и единица СИ?
Плотность(Density) — это масса вещества в единице объёма, обозначается ρ(греческая буква ро), определяющая формула ρ=m/V, то есть масса, делённая на объём. Единица СИ — kg/m³(килограмм на кубический метр). Плотность чистой воды при 4°C составляет около 1000 kg/m³=1 g/cm³=1 kg/dm³, это удобное для запоминания опорное значение. Плотность является неотъемлемым свойством вещества, может использоваться для идентификации веществ, расчётов плавучести, анализа гидромеханики и т.д.
Как соотносятся g/cm³, kg/dm³, kg/L? Как это связано с водой?
1 g/cm³ = 1 kg/dm³ = 1 kg/L = 1000 kg/m³, числовые значения этих единиц равны, все они равны плотности чистой воды при 4°C. Это потому что 1cm³=1mL=1cc=10⁻⁶m³, 1dm³=1L=0,001m³. Поэтому плотность воды, выраженная в разных единицах, даёт ровно значения: 1000 kg/m³, 1 g/cm³, 1 kg/dm³, 1 kg/L, очень удобно запоминать.
Почему в инженерных справочниках и по материалам часто используют g/cm³?
Диапазон значений g/cm³ как раз охватывает плотности распространённых твёрдых тел и жидкостей: вода 1,0, спирт 0,79, бензин 0,72, тело человека около 1,02, алюминий 2,70, железо 7,87, медь 8,96, свинец 11,34, золото 19,32, осмий 22,57, все значения находятся в диапазоне 0,6~23, достаточно целых чисел или одного-двух десятичных знаков, удобно читать и запоминать. При использовании kg/m³ эти числа становятся трёхзначными(вода 1000, железо 7870, медь 8960), хотя и понятно, но добавляются 3 нуля.
Как использовать lb/ft³, lb/in³, lb/gal?
Британские единицы плотности по-прежнему широко используются в англо-американской инженерии, аэрокосмической отрасли, нефтяной промышленности, строительстве: 1 lb/ft³(фунт на кубический фут)≈16,02 kg/m³, это распространённая единица для насыпной плотности строительных материалов, плотности воздуха(воздух около 0,0765 lb/ft³, вода около 62,4 lb/ft³); 1 lb/in³(фунт на кубический дюйм)≈27 680 kg/m³, используется для расчётов напряжений в высокопрочных металлах, машиностроении; lb/USgal(фунт на американский галлон) и lb/UKgal(фунт на британский галлон) используются для транспортировки и приготовления жидких топлив, химических растворов.
Какова плотность распространённых веществ?
Плотность распространённых материалов(g/cm³, приблизительные значения): газы——воздух 0,0012, водород 0,00009; жидкости——бензин 0,72, спирт 0,79, вода 1,00, морская вода 1,025, молоко 1,03, серная кислота 1,84, ртуть 13,55; металлы——магний 1,74, алюминий 2,70, титан 4,51, железо/сталь 7,87, медь 8,96, серебро 10,49, свинец 11,34, золото 19,32, осмий 22,57(самый плотный в земной коре); прочее——лёд 0,92(плавает в воде), тело человека 1,02, стекло 2,5, бетон 2,4, древесина 0,4~0,8, пластмасса 0,9~1,4.
В чём разница между плотностью и удельным весом(относительной плотностью)?
Удельный вес(Specific Gravity, SG) — это отношение плотности вещества к плотности воды(при 4°C), безразмерная чистая величина. Удельный вес=ρ/ρводы, поэтому числовое значение удельного веса равно значению в g/cm³ или kg/dm³(поскольку вода=1g/cm³). Например, плотность железа 7,87 g/cm³ соответствует удельному весу 7,87, свинца 11,34 — удельному весу 11,34. Удельный вес широко применяется в нефтяной, химической промышленности, виноделии, градус API, крепость алкоголя, градус Боме — все это производные показатели удельного веса.
От чего зависит, всплывёт или утонет тело в жидкости?
Согласно принципу плавучести Архимеда: когда средняя плотность тела<плотности жидкости — тело всплывает, > — тонет, = — находится во взвешенном состоянии. Например: плотность льда 0,92g/cm³<воды 1,0, поэтому айсберг плавает на поверхности воды(90% под водой); железо 7,87 намного больше воды, поэтому тонет, но корабль из железа благодаря полой конструкции имеет общую среднюю плотность<воды, поэтому может плавать; плотность тела человека около 1,02 немного больше воды, после выдоха тонет, после вдоха или при наполнении лёгких воздухом может плавать; в Мёртвом море чрезвычайно высокая концентрация солей, плотность около 1,24g/cm³, человек может легко плавать.
Почему для плотности газов используют kg/m³, а не g/cm³?
При нормальных условиях(0°C, 1атм) плотность газов намного меньше, чем жидкостей и твёрдых тел: воздух около 1,29 kg/m³=0,00129 g/cm³, при выражении в g/cm³ будет много ведущих нулей(0,00129), неудобно читать. При использовании kg/m³ воздух получается 1,29, водород 0,09, кислород 1,43, углекислый газ 1,98, хлор 3,21, значения более наглядные. Плотность газов тесно связана с температурой и давлением(идеальный газ ρ=PM/RT), обычно указываются условия температуры и давления.
В чём разница между насыпной плотностью, кажущейся плотностью, истинной плотностью?
Истинная плотность(True Density) — это плотность самого материала(без пор), например сталь 7,87 g/cm³; кажущаяся плотность(Apparent Density) — это плотность блока, включая внутренние закрытые поры; насыпная плотность/объёмная плотность(Bulk Density) — это общая плотность сыпучих/порошковых материалов при естественной укладке с учётом пустот, например насыпная плотность цемента около 1300 kg/m³, сухого песка 1600 kg/m³, риса около 600 kg/m³, вода в инженерии также часто выражается весовой плотностью через удельный вес γ=9,8kN/m³(или упрощённо 10kN/m³).
Какое инженерное значение имеет разница плотности металлов?
Плотность напрямую определяет вес деталей одинакового объёма, является ключом к облегчению в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, продуктах 3C: алюминий 2,7 легче стали 7,87 примерно на 2/3, магний 1,74 ещё легче, но имеет более низкую прочность; титан 4,5 легче стали на 43%, но прочный и коррозионностойкий, используется в авиации/медицине; углеродные композитные материалы около 1,6 — первый выбор для высокотехнологичного облегчения в аэрокосмике; свинец 11,34, вольфрам 19,3, обеднённый уран 19,1 используются в качестве противовесов, радиационной защиты, бронебойных снарядов; медь 8,96, серебро 10,5 имеют высокую плотность и хорошую электропроводность, используются для проводов/контактов.
Как связана плотность жидкости с температурой?
Плотность жидкости обычно уменьшается с повышением температуры(тепловое расширение), вода имеет максимальную плотность(1000 kg/m³) при 3,98°C, при повышении или понижении этой температуры плотность немного уменьшается(это также причина определения опорной плотности воды при 4°C). Плотность топлива заметно изменяется с температурой: плотность бензина около 0,72~0,78 g/cm³, летом он расширяется, объём увеличивается, та же масса занимает больший объём; авиационное топливо измеряется по массе(kg или lb), а не по объёму(L или gal), потому что изменение объёма при разных температурах влияет на расчёт дальности полёта.
Какие единицы плотности поддерживает этот инструмент? Почему нет g/mL, oz/gal?
Этот инструмент поддерживает 7 единиц плотности: kg/m³, g/cm³, kg/dm³, lb/ft³, lb/in³, lb/USgal, lb/UKgal, охватывает более 90% повседневных сценариев использования в физике, инженерии, материалах, химии. Обратите внимание, что g/mL полностью совпадает по значению с g/cm³(1mL=1cm³), kg/L совпадает по значению с kg/dm³, поэтому нет необходимости добавлять их повторно; oz/gal(унция на галлон) в основном используется для специфических сценариев обработки воды/химических концентраций, lb/gal уже покрывает основные потребности в преобразовании плотности жидкостей британской системы.
