Масса тела. Плотность вещества. Единицы плотности

Одинаково ли легко изменить скорость различных тел? Мимо нас пролетает комар. Трудно ли изменить его скорость? Достаточно просто дунуть. А если проезжает груженый автомобиль МАЗ? Инерция есть у всех тел, но это свойство проявляется у них в разной степени. Оно почти незаметно у комара, но очень заметно у автомобиля, для изменения скорости которого требуются большие и длительные воздействия.

Для характеристики инерции тела в физике используется физическая величина, называемая массой. Чем массивнее тело, тем труднее изменить его скорость, тем больше оно противится таким изменениям. Масса тела - мера его инерции. Иногда говорят: мера его инертности.

Обозначим массу тела буквой \(m\). Основной единицей массы в СИ является 1 килограмм (1 кг). Полезно знать, что 1 л воды при комнатной температуре имеет массу, практически равную 1 кг. Соответственно, масса 1 мл равна 1 г. Обратите внимание! В килограммах измеряется единственная физическая величина - масса.

От чего зависит масса тела? Сравните разгон и торможение груженого и порожнего автомобилей. Понятно, что масса тела зависит от количества вещества в теле (от числа молекул). Дело в том, что массой (т. е. инерцией) обладает каждая молекула, поэтому массу всего тела можно рассматривать как сумму масс всех его молекул. Будут ли одинаковыми массы тел, если они содержат одинаковое число молекул? Да, если тела состоят из одного и того же вещества. Нет, если тела состоят из различных веществ (например, алюминиевая и золотая ложки). А теперь сравним массы разных веществ, имеющих одинаковый объем.

Задумайтесь над вопросом: какую тележку легче сдвинуть с места - нагруженную сухими дровами или нагруженную камнями, имеющими равный с дровами объем? Конечно, тележку с дровами. Ее масса меньше. Значит, масса единицы объема дров и единицы объема камней разная.

Масса вещества, содержащегося в единице объема, называется плотностью вещества.

Чтобы найти плотность, необходимо массу вещества разделить на его объем. Плотность обозначается греческой буквой \(ρ\) (ро). Тогда \[плотность = \frac{масса}{объем},\] или \[ρ = \frac{m}{V}.\]

Единицей измерения плотности в СИ является 1 \(\frac{кг}{м^{3}}\). Плотности различных веществ определены на опыте и представлены в таблице:

Плотность веществ (при нормальном атмосферном давлении)
Вещество \(ρ\), \(\frac{кг}{м^{3}}\) \(ρ\), \(\frac{г}{см^{3}}\)
Вещества в твердом состоянии при 20 °C
Осмий 22600 22,6
Иридий 22400 22,4
Платина 21500 21,5
Золото 19300 19,3
Свинец 11300 11,3
Серебро 10500 10,5
Медь 8900 8,9
Латунь 8500 8,5
Сталь, железо 7800 7,8
Олово 7300 7,3
Цинк 7100 7,1
Чугун 7000 7,0
Корунд 4000 4,0
Алюминий 2700 2,7
Мрамор 2700 2,7
Стекло оконное 2500 2,5
Фарфор 2300 2,3
Бетон 2300 2,3
Соль поваренная 2200 2,2
Кирпич 1800 1,8
Оргстекло 1200 1,2
Капрон 1100 1,1
Полиэтилен 920 0,92
Парафин 900 0,90
Лед 900 0,90
Дуб (сухой) 700 0,70
Сосна (сухая) 400 0,40
Пробка 240 0,24
Жидкость при 20 °C
Ртуть 13600 13,60
Серная кислота 1800 1,80
Глицерин 1200 1,20
Вода морская 1030 1,03
Вода 1000 1,00
Масло подсолнечное 930 0,93
Масло машинное 900 0,90
Керосин 800 0,80
Спирт 800 0,80
Нефть 800 0,80
Ацетон 790 0,79
Бензин 710 0,71
Жидкое олово (при \(t\) = 400 °C) 6800 6,80
Жидкий воздух (при \(t\) = -194 °C) 860 0,86
Газ при 0 °C
Хлор 3,210 0,00321
Оксид углерода (IV) (углекислый газ) 1,980 0,00198
Кислород 1,430 0,00143
Воздух 1,290 0,00129
Азот 1,250 0,00125
Оксид углерода (II) (угарный газ) 1,250 0,00125
Природный газ 0,800 0,0008
Водяной пар (при t = 100 °C) 0,590 0,00059
Гелий 0,180 0,00018
Водород 0,090 0,00009

У большинства веществ плотность в твердом состоянии больше, чем в жидком. Например, плотность олова в твердом состоянии \(ρ_{тв} = 7300 \frac{кг}{м^{3}}\), а в жидком (при температуре 400 °С) \(ρ_{ж} = 6800 \frac{кг}{м^{3}}\). Плотность вещества в жидком состоянии больше, чем в газообразном. Чем это можно объяснить? Вспомните о различии в расстояниях между молекулами. Самые большие расстояния - между молекулами газа. Поэтому плотность сжиженного воздуха (при −194 °С) равна 860 \(\frac{кг}{м^{3}}\), а в газообразном состоянии - 1,29 \(\frac{кг}{м^{3}}\) (при 0 °С).

Зная плотность и объем тела, легко найти массу: \[m = ρV.\]

Формулу \(ρ = \frac{m}{V}\) можно использовать не только для однородных тел, но и для тел, имеющих полости или состоящих из разных веществ. Только в этом случае формула выражает среднюю плотность тела (сравните со средней скоростью): \[〈ρ〉 = \frac{m}{V}.\]

Твердое вещество, состоящее из молекул Н2О (лед), имеет плотность \(ρ = 900 \frac{кг}{м^{3}}\), жидкое (вода) - \(ρ = 1000 \frac{кг}{м^{3}}\). Вы заметили особенность? Плотность льда меньше плотности воды, что указывает на более плотную упаковку (т. е. меньшие промежутки) молекул в жидком состоянии вещества (вода), чем в твердом (лед).

Из всех видов деревьев наименьшей плотностью обладает древесина бальзового дерева (\(ρ = 100-120 \frac{кг}{м^{3}}\)) растущего в тропиках Центральной и Южной Америки.

Средняя плотность Вселенной ничтожно мала (\(≈ 10^{-28} \frac{кг}{м^{3}}\)), а вещество нейтронных звезд имеет очень большую плотность (\(2 \cdot 10^{17} \frac{кг}{м^{3}}\)).

Главные выводы:

  1. Чем больше масса тела, тем труднее изменить скорость его движения.
  2. Плотность вещества показывает, какая масса вещества содержится в единице его объема.
  3. Плотность вещества в различных агрегатных состояниях разная.
  4. Тела, состоящие из разных веществ, характеризуются средней плотностью.

Читать далее