Объёмная плотность (англ. bulk density) — широко используемый термин в различных областях науки для обозначения плотности распределения тех или иных физических величин в единице пространства[источник?].
Содержание
- 1 Примеры использования термина
- 2 Плотность твердых веществ
- 2.1 Плотность почвы
- 3 Плотность сыпучих веществ
- 4 См. также
- 5 Ссылки
Примеры использования термина
В механике сплошных сред обозначает плотность смеси или совокупности веществ с неоднородным составом элементов, вещества могут находиться в любом из трех агрегатных состояний. При одинаковых условиях окружающей среды данная характеристика является переменной величиной при изменении химических соединений составляющих элементов. Аналогичное определение осредненной плотности небесных тел в астрономии дается исходя из соотношения массы тела и его объема. При этом, как правило, составляющий тело материал имеет в значительной степени неоднородный химический состав, находится при сильно различающихся температуре, давлении и может находиться в любом из агрегатных состояний, включая плазму, а для релятивистских объектов может в основном состоять из нейтронного, кваркового или преонного вещества. В случае однородного состава элементов, то есть в случае очищенного от примесей химического вещества, все части которого находятся при одинаковых температуре и давлении, данная характеристика совпадает с обыкновенной плотностью.
В теориях поля идентичный термин объёмной плотности (заряда) дается с помощью теоремы Гаусса, также существует определение плотности энергии и другие аналогичные определения.
Плотность твердых веществ
В случае твердых веществ с неоднородным составом или жидкостей, которые содержат взвешенные твердые частицы, на значение объемной плотности также оказывает влияние пористость структуры, нарушение молекулярной и структурной целостности твердых материалов.
Плотность почвы
Основное агрофизическое свойство почвы. Определяет сопротивление прониканию в почву как сельскохозяйственных орудий так и корней растений. Таким образом, косвенно влияет на урожай. Плотность почвы важно знать не только в сельском хозяйстве.
Рассчитывается плотность почвы как отношение массы образца к его объёму. Это классическая формула для бурового метода определения плотности почвы. Исключение составляют каменистые почвы. для них плотность определяют методом Зайдельмана
Плотность сыпучих веществ
Для сыпучих строительных материалов, таких как, например, песок, плотность изменяется в зависимости от степени уплотнения: одно и то же количество песка может занимать разный объем. В своем естественном неуплотненном состоянии сыпучие материалы обладают насыпной плотностью.
Насыпная плотность сыпучего строительного материала – это его плотность в неуплотненном состоянии. Она учитывает не только объем самих частиц материала (песчинок или отдельных камней гравия), но и пространство между ними, таким образом насыпная плотность меньше обычной. При уплотнении сыпучего материала его плотность становится больше и перестает быть насыпной. Цемент в мешке, отвал щебня или шесть кубов песка в кузове грузовика – все они находятся в неуплотненном состоянии и имеют свою насыпную плотность. Насыпная плотность необходима для того, чтобы связывать объем и массу сыпучих материалов, так как цены на них могут указываться, как за тонну, так и за кубометр. Точно так же количество этих материалов, например, их пропорции для приготовления бетона, могут понадобиться и в тоннах, и в кубометрах.
Насыпные плотности основных строительных материалов.
| Строительный материал | Насыпная плотность, кг/м3 | Кубов в 1 тонне |
|---|---|---|
| Цемент сухой | 1500 | 0,666 |
| Мокрый песок | 1920 | 0,52 |
| Сухой песок | 1440 | 0,694 |
| Гравий крупный | 1500 | 0,666 |
| Гравий мелкий | 1700 | 0,588 |
| Щебень мелкий | 1600 | 0,625 |
См. также
Ссылки
- Объемная плотность материалов
- Объёмные плотности зарядов
- Калькулятор сыпучих материалов для Android
- ГОСТ Р 55451-2013
Содержание:
- Определение и формула плотности вещества
- Виды плотности вещества
- Единицы измерения плотности вещества
- Примеры решения задач
Определение и формула плотности вещества
Определение
Плотностью вещества (плотностью вещества тела) называют скалярную физическую величину, которая равна отношению массы
(dm) малого элемента тела к его единичному объему (dV). Чаще всего плотность вещества обозначают греческой буквой
$rho$. И так:
$$rho=frac{d m}{d V}$$
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
Пример
Задание. Какова плотность воды, если объем, который занимает одна молекула H2O,
примерно равен $Delta V approx 3 cdot 10^{-29}$ м3? Считайте, что молекулы в воде плотно упакованы.
Решение. Если считать, что молекулы в воде плотно упакованы, то ее плотность можно найти как:
$$rho=frac{m_{0}}{Delta V}$$
где m0 – масса молекулы воды. Найдем m0, используя известное соотношение:
$$frac{m}{mu}=frac{N}{N_{A}}$$
где N=1 — количество молекул (в нашем случае одна молекула), m — масса рассматриваемого количества молекул
(в нашем случае m=m0), NА=6,02• 1023 моль-1 – постоянная Авогадро,
$mu$=18•10-3
кг/моль (так как относительная молекулярная масса воды равна Mr=18). Следовательно, применяя выражение (2)
для нахождения массы одной молекулы имеем:
$$m_{0}=frac{mu}{N_{A}}(3)$$
Подставим m0 в выражение (1), получаем:
$$rho=frac{mu}{Delta V N_{A}}(4)$$
Проведем расчет искомой величины:
$rho=frac{18 cdot 10^{-3}}{3 cdot 10^{-29} cdot 6,02 cdot 10^{23}}=10^{3} mathrm{kr} / mathrm{m}^{3}$ кг/м3
Ответ. Плотность воды равна 103 кг/м3 .
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Пример
Задание. Какова плотность кристаллов хлорида цезия (CsCl), если кристаллы имеют кубическую кристаллическую
решетку (рис.1) в вершинах которой находятся ионы хлора (Cl—), а в центре расположен ион цезия
(Cs+). Ребро кристаллической решетки считайте равным d=0, 41 нм.
Решение. За основу решения задачи примем выражение:
$$frac{m}{mu}=frac{N}{N_{A}}(2.1)$$
где m – масса вещества (в нашем случае это масса одной молекулы
$left.operatorname{CsCl}left(m_{0}right)right), N=1, N_{A}=6,02 cdot 10^{23}$ – постоянная Авогадро,
$mu=168 cdot 10^{-3}$ кг/моль молярная масса хлорида Цезия
(так как относительная молекулярная хлорида цезия равна $M_r = 168$).
Выражение (2.1) для одной молекулы примет вид:
$$frac{m_{0}}{mu}=frac{1}{N_{A}}$$
В выражении (2.2) массу молекулы можно выразить через ее плотность как:
$$m_{0}=rho V_{m}(2.3)$$
где Vm – объем исследуемой молекулы. Так как кристаллы имеют кубическую кристаллическую решетку, ребро которой нам известно
(и равно d), то вместо объема Vm можно использовать выражение:
$$V_{m}=d^{3}(2.4)$$
Подставим выражения (2.3) и (2.4) в формулу (2.2), получим:
$$frac{rho V_{m}}{mu}=frac{1}{N_{A}}(2.5)$$
Тогда выражение для плотности примет вид:
$$rho=frac{mu}{d^{3} N_{A}}$$
Переведем размер стороны кристаллической решетки в единицы системы СИ, получим d=0,41нм=0, 41•10-9) м. Проведем вычисления:
$rho=frac{168 cdot 10^{-3}}{left(0,41 cdot 10^{-9}right)^{3} cdot 6,02 cdot 10^{23}}=4047,6$ кг/м3
Ответ. $rho=4047,6$ кг/м3
Читать дальше: Формула потенциальной энергии.
Плотность образца — важный показатель качества сырья и готовой продукции. Существуют различные способы точного определения плотности твердых, вязких и жидких материалов, таких как металлы, пластмассы, химические вещества, смазочные материалы и продукты питания.
Определение плотности для контроля качества
Неоднородность сырья, на которую указывает изменение плотности, может пагубно сказаться на качестве конечного продукта. Путем измерения плотности сырья проверяют чистоту материала. Если вместо указанного вещества в состав входит более дешевый заменитель, измеренная плотность смеси будет отличаться от плотности чистого вещества.
Показатели плотности также используют для проверки однородности. Если изготовленная деталь не будет однородной, ухудшатся такие важные ее характеристики, как прочность и сопротивление растрескиванию. Например, пузырек воздуха внутри детали может привести к ее поломке при нагрузке. Проверка деталей методом случайной выборки — простой и экономичный способ контроля качества в процессе производства.
Почему так важно точное взвешивание
В лаборатории гравиметрическое определение плотности проводят с помощью методов, основанных на законе Архимеда (ареометрический метод), принципе вытеснения и использовании пикнометра.
Самый распространенный метод измерения плотности основан на действии выталкивающий силы, возникающей согласно закону Архимеда: тело, погруженное в жидкость, теряет в весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Этот древний принцип, предложенный приблизительно в 200 г. до н. э., и сегодня служит для гравиметрического определения плотности. В этом методе точность результатов напрямую зависит от точности взвешивания.
Перейдите в один из следующих разделов, чтобы узнать больше:
- Процедура измерения и возможные проблемы
- Решения МЕТТЛЕР ТОЛЕДО
- Часто задаваемые вопросы
Процедура определения плотности твердых веществ
Ареометрический метод: закон Архимеда в действии
Согласно закону Архимеда, на тело, погруженное в жидкость частично или полностью, действует выталкивающая сила, направленная вверх. Величина этой силы равна
весу жидкости, вытесняемой телом.
Твердое вещество взвешивают в воздухе (A), а затем во вспомогательной жидкости (B) с известной плотностью. Плотность твердого тела ρ можно рассчитать следующим образом:
ρ = плотность образца;
A = масса образца в воздухе;
B = масса образца во вспомогательной жидкости;
ρ0 = плотность вспомогательной жидкости;
ρL = плотность воздуха.
Необходимо учитывать температуру жидкости, поскольку ее колебания могут изменять плотность на величину от 0,001 до 0,1 на один градус Цельсия. Изменения
проявляются в третьем знаке после запятой.
Определение плотности жидкостей с помощью цифровых плотномеров
Если необходимо измерять не только плотность, обратите внимание на цифровые плотномеры. Они быстро и точно определяют плотность, удельный вес и другие связанные характеристики жидких образцов (долю спирта, градусы Брикса, градусы API).
Стандарты плотности
Существует много стандартов и нормативов для определения плотности твердых образцов. Вот некоторые из них:
- ISO 1183-1. Пластмассы. Методы определения плотности непористых пластмасс.
- OIML G 14. Руководство по измерению плотности.
- ASTM-D-792. Стандартный метод определения плотности и удельного веса.
Стандарт ISO 1183-1 предписывает использовать аналитические весы с четырьмя десятичными разрядами.
Путаница с объемной плотностью
Объемная плотность — это мера того, сколько частиц, частей или кусочков содержится в измеренном объеме. Объемная плотность не является свойством самого материала. Эта величина включает пустоты между частицами или объектами, а также пустоты внутри самих объектов. Объемная плотность может изменяться при работе с материалом. Например, при встряхивании контейнера детали внутри него оседают, и общая объемная плотность увеличивается.
Необходима помощь?
Плотность — очень важный показатель качества сырья и готовой продукции. Существует множество факторов, которые необходимо учитывать, чтобы получать точные результаты измерений. Если вам нужна помощь при определении плотности, в выборе подходящих весов или комплекта для измерения плотности, обратитесь к экспертам МЕТТЛЕР ТОЛЕДО.
Свяжитесь с нашими специалистами!
Сохранение точности при измерении плотности твердых образцов
Пузырьки
Безусловно, самый большой источник ошибок при измерении плотности — ограниченная смачиваемость образца. При погружении образца в жидкость крайне важно избавиться от всех пузырьков, которые прилипают к образцу и поверхностям оборудования. Любые оставшиеся пузырьки увеличивают выталкивающую силу и искажают расчет. (Пузырек диаметром 1 мм создает выталкивающую силу 0,5 мг.) МЕТТЛЕР ТОЛЕДО рекомендует:
- Пользуйтесь смачивающим реагентом или органическими жидкостями (изменением плотности дистиллированной воды при добавлении пары капель смачивающего реагента можно пренебречь).
- Обезжиривайте твердые вещества, стойкие к действию растворителей.
- Регулярно очищайте оборудование.
- Не прикасайтесь к погружаемым компонентам голыми руками.
- Используйте тонкую кисть для удаления оставшихся пузырьков воздуха.
Температура
Твердые вещества обычно настолько нечувствительны к колебаниям окружающей температуры, что соответствующее изменение их плотности пренебрежимо мало. Однако поскольку в измерении участвует вспомогательная жидкость, температуру необходимо учитывать. На жидкости температура оказывает большее влияние и вызывает изменение плотности от 0,1 до 1 ‰ на 1 °C.
Этот эффект заметен уже в третьем знаке после запятой. Для получения точных результатов рекомендуем во всех измерениях плотности всегда учитывать температуру вспомогательной жидкости. Эти значения можно найти в специальных справочных таблицах. Значения плотности наиболее важных эталонных жидкостей (H2O и этанола) хранятся в памяти весов.
Взвешивание
Как было сказано выше, взвешивание играет значимую роль в точном определении плотности, поэтому важно использовать подходящие весы. Из-за небольшой массы образцов необходимо учитывать ограничения прибора по минимальной массе нетто. Если масса взвешиваемого образца меньше этого значения, нужный уровень точности не может быть гарантирован.
Обработка данных
Ручная регистрация данных образца, значений массы и расчет плотности также занимают много времени и могут сопровождаться ошибками.
Решение МЕТТЛЕР ТОЛЕДО для определения плотности образцов гравиметрическим способом
На большинстве аналитических и технических весов МЕТТЛЕР ТОЛЕДО с дискретностью 1 мг или выше можно определять плотность ареометрически при помощи специального комплекта, который устанавливается за пару минут.
Определение плотности твердых веществ с помощью весов — простая и удобная процедура. Она дает более точные результаты, чем другие методы, в которых объем образца определяется независимо от его массы. Для выполнения этой процедуры не нужно приобретать специализированное оборудование — достаточно установить на стандартные лабораторные весы комплект для измерения плотности. Это делает покупку такого комплекта очень рентабельной. При помощи комплекта с дополнительным стеклянным грузилом известного объема можно определять плотность жидких образцов.
Встроенное приложение для измерения плотности предоставляет пошаговые инструкции, которые упрощают анализ даже для начинающих операторов. Преимущества комплекта:
- гибкая адаптация к особенностям процессов;
- автоматические расчеты плотности твердых веществ и жидкостей, включая компенсацию изменений температуры контрольной жидкости;
- статистическая оценка нескольких образцов;
- все результаты, включая данные пользователя, идентификатор образца, номер партии, дату и время, можно распечатывать либо сохранять на USB-накопителе.
Измерение плотности крупных образцов
Для анализа больших образцов, которые не помещаются в комплект для измерения плотности, МЕТТЛЕР ТОЛЕДО предлагает оснастить технические весы с дискретностью 0,1 и 0,01 г специальным крюком. Принцип измерения плотности остается таким же: образец взвешивают в воздухе, затем в контрольной жидкости.
Видео «Определение плотности на практике»
Посмотрите, насколько просто измерять плотность на лабораторных весах МЕТТЛЕР ТОЛЕДО. Комплект для измерения плотности предназначен для анализа твердых, жидких, пористых и вязких веществ. Благодаря пошаговым инструкциям и автоматическим вычислениям процедура становится простой.
Рекомендации по применению: «Простое измерение плотности для обеспечения стабильного качества пластмасс»
Измерение плотности необходимо для обеспечения стабильного качества пластмасс. Из рекомендаций по применению, подготовленных МЕТТЛЕР ТОЛЕДО, вы узнаете, как легко определить плотность пластмассовых деталей, используя комплект для измерения плотности и встроенное приложение на аналитических весах МЕТТЛЕР ТОЛЕДО MS-TS, ML-T или ME-T.
Расширенное управление данными и безопасность процессов
Используя весы МЕТТЛЕР ТОЛЕДО серии Excellence и программное обеспечение LabX, можно добиться точного управления данными и высокой безопасности процессов. Аналитические и технические весы Excellence можно дополнить специальным комплектом для измерения плотности. Программное обеспечение LabX проконтролирует выполнение стандартной рабочей процедуры. ПО LabX регистрирует все значения массы, выполняет все вычисления и безопасно сохраняет все результаты в централизованной базе данных. Все данные, связанные с измерением плотности, можно напрямую передавать во внутреннюю систему управления данными предприятия.
Часто задаваемые вопросы по определению плотности
Компания «КоролёвФарм» является не только контрактным производителем косметики, но также производит и биологически активные добавки (БАД) к пище в таблетированной и капсулированной форме. В связи с этим кажется необходимым рассказать о некоторых похожих терминах и технологические свойствах этих продуктов.
Технологические свойства порошкообразных (таблетированных и капсулированных) лекарственных веществ и биологически активных добавок к пище зависят от их физико-химических свойств. При производстве биологически активных добавок в форме таблеток и в форме твёрдых желатиновых капсул необходимо учитывать различные технологические характеристики, так как активные компоненты и многие экстракты лекарственных растений поступают в виде порошков или порошковых смесей.
Насыпная плотность
Базовой характеристикой всех сыпучих материалов является плотность. Существуют понятия истинной и насыпной плотности, которые измеряются в г/см3 или кг/м3.
Истинная плотность – это отношение массы тела к объему этого же тела в сжатом состоянии, в котором не учитываются зазоры и поры между частицами. Истинная плотность – постоянная физическая величина, которая не может быть изменена.
В своем естественном состоянии (неуплотненном) сыпучие материалы характеризуются насыпной плотностью. Под насыпной плотностью различных сыпучих материалов понимают количество порошка (сыпучего продукта), которое находится в свободно засыпанном состоянии в определённой единице объема.
Насыпная плотность заданного порошка или любой сыпучей смеси (D нас. пл.) определяется отношением массы свободно засыпанного порошка (Mасса cып.) к объему этого порошка (Vcосуда) по формуле:
D нас.пл.= Mасса cып/Vcосуда
Насыпная плотность учитывает не только объем частиц материала, но и пространство между ними, поэтому насыпная плотность гораздо меньше, чем истинная. Например, истинная плотность каменной соли составляет 2,3 т/м3, а насыпная – 1,02 т/м3.
Зная насыпную плотность применяемых сыпучих материалов можно при проектировании емкостей или дозаторов, а так же капсул и таблеток рассчитать их объем и, соответственно, высоту засыпки. Понятно, что если нам частично известны некоторые параметры, а именно высота засыпки, а так же коэффициент засыпки, то можно рассчитать высоту предполагаемого объема, то есть высоту форматных частей, что очень важно при решении технологических задач. Конечно, если известна насыпная плотность порошка, тогда технологи могут легко рассчитать массу для одной дозы, порции или упаковки и тем самым определить величину дозировки для капсулятора или таблетпресса, а также для любого другого фасовочного оборудования.
Значение насыпной плотности определяется в соответствии со стандартом (ГОСТ 19440-94 «Порошки металлические. Определение насыпной плотности. Часть 1. Метод с использованием воронки. Часть 2. Метод волюмометра Скотта») с помощью прибора волюмометра, принцип действия которого основан на точном определении массы порошка, заполняющего мерную емкость. Волюмометр состоит из воронки с ситом и корпуса с несколькими наклонными стеклами, по которым порошок, пересыпаясь, падает в тигелек с измеренным объемом и весом.
 |
| Рис. 1 Прибор для определения максимальной насыпной плотности порошков |
| 1-измерительный цилиндр; 2-шкала; 3-тумблер; 4-регулировочный винт; 5-контргайка |
Объемная или Насыпная плотность зависит от размера, формы, влажности и плотности частиц гранул или порошка. По значению этого показателя можно прогнозировать и рассчитывать объем матричных каналов. Процедуру измерения насыпной плотности порошковой смеси или монопорошка проводят на специальном приборе (рис. 1).
Производят навеску массой 5,0 г порошка. Точность навески до 0,001 г. Далее засыпают навеску в мерный цилиндр. Устанавливают на приборе амплитуду колебаний (35-40 мм) при помощи регулировочного винта. Устанавливают отметку по шкале и фиксируют положение при помощи контргайки. Далее, с помощью трансформатора устанавливают частоту колебаний. Частота устанавливается в интервале от 100 до 120 кол/мин, по счетчику. После включения прибора тумблером оператор следит за отметкой, по которой установлен уровень порошка в цилиндре. Как правило, при работе прибора в течение 10 минут, уровень порошка или смеси становится постоянным, и прибор необходимо отключить.
Насыпную плотность рассчитывают по формуле:
где: ρн – насыпная плотность, кг/м3;
m – масса сыпучего материала, кг;
V – объем порошка в цилиндре после уплотнения, м3.
В зависимости от насыпной плотности порошки классифицируют следующим образом:
ρн > 2000 кг/м3 – весьма тяжелые;
2000 > ρн > 1100 кг/м3 – тяжелые;
1100 > ρн > 600 кг/м3 – средние;
ρн < 600 кг/м3 – легкие.
Одним из приборов, на котором проводят измерение насыпной плотности (а также другие характеристики порошковой смеси или монопорошка), является прибор ВТ-1000.
 |
| Рис.2 Bettersize BT-1000. Прибор для определения насыпной плотности и других характеристик порошков |
Анализатор ВТ-1000 (Рис. 2) используется для определения свойств различных сыпучих материалов, связанных с текучестью. Порошок или порошковые смеси, по определению, являются двухфазными системами. Свойства поверхности частиц порошковой смеси или монопорошка, так же как и их плотность, все эти параметры определяет его поведение в потоке и их сыпучесть. Правильное определение параметров сыпучести очень важно для расчетов процессов обработки порошка, его упаковки, транспортировки и хранения.
С помощью ВТ-1000 (Рис.3) возможно определить не только насыпную плотность, но и дисперсность, угол падения, угол естественного откоса, угол на плоской пластине и плотность утряски. Из данных характеристик легко рассчитать угол разности, прессуемость, объем пустого пространства, сжимаемость, униформность. По характеристикам зафиксированным на приборе, можно рассчитать индекс Карра, что позволяет определить значения сыпучести и аэрируемости
 |
| Рис.3 Определение насыпной (объемной) плотности |
(поведения порошка в аэродинамической струе).
Порошок засыпается в мерный цилиндр. Отношение занятого им объема к массе порошка является объемной или насыпной плотностью. Рис.3
Если вы оглядитесь вокруг себя, то скорее всего обнаружите множество объектов разного размера, формы и текстуры. Эти объекты состоят из материи, которая присутствует в трех формах: твердом, жидком и газообразном. Все три состояния материи имеют две общие черты: массу и объем.
Масса – это количество вещества, а объем – это мера пространства, занимаемого объектом. Соотношение этих двух аспектов материи известно как плотность.
ρ = m / V ρ = m / V ρ=m/V
Единица измерения массы – килограмм, тогда как плотность измеряется в килограммах на кубический метр.
Ниже представлена таблица для сравнения основных отличий между массой и плотностью.
Сравнительная таблица
| Утверждения | Масса | Плотность |
| Что подразумевает под собой? | Количество вещества, содержащегося в объекте. | Плотность объекта намекает на концентрацию вещества в объекте. |
| Что это? | Это мера инерции. | Это степень компактности. |
| Свойство | Внешнее | Внутреннее |
| Как представлены? | Материя, присутствуещая в теле. | Масса присутствующая на единицу объема. |
| Единица СИ | Килограмм | Килограмм на кубический метр |
Объемный вес и плотность
(Слайд1G3_3)
Объемным весом осадочной породы называется вес единицы ее объема (1 см3)
вместе с порами, заполненными жидкой и газо-образной фазами.
Объемный вес породы зависит как от минералогического состава, так и от пористости породы, поэтому может служить характеристикой пористости для сцементированных пород в особенности, когда состав их известен. Объемный вес пород зависит также от степени влажности.
Наиболее точно объемный вес породы определяют путем гидростатического взвешивания ее образца. Расчет объемного веса породы производится по формуле:
где у- объемный вес породы;
Рс- вес сухого образца;
Ркв- вес образца, насыщенного керосином, в воздухе;
Рк- вес образца в керосине;
Ак-удельный вес керосина.
Точность метода ±0,02.
Объемный вес абсолютно сухой породы называют кажущимся, или объемным, весом скелета.
Объемный вес породы имеет ту же размерность и единицы измерения, что и удельный вес пород. Обычно он выражается в Г/см3.
Объемный вес породы в общем случае меньше ее удельного веса, но больше удельного веса жидкой и газообразной фаз, содержащихся в породах.
Объемный вес минералов вследствие незначительной пористости практически равен их удельному весу.
С глубиной залегания пород их объемный вес изменяется, обычно возрастает, что связано с уменьшением пористости пород. В особенности это относится к глинам и глинистым тонкозернистым песчаникам и алевролитам. Присутствие в породах цементов, характеризующихся высоким удельным весом, влияет на увеличение объемного веса.
Плотностью твердой (жидкой, газообразной) фазы называется отношение массы фазы к ее объему. Под плотностью породы подразумевают отношение массы породы с естественными влажностью и структурой к ее объему.
Объемной плотностью называют отношение массы сухой породы к ее объему.Плотность в системе СГС выражается в г/сма.
Практически плотность пород соответствует объемному весу.
Пористость
(Слайд1G3_4)
Между твердыми частицами, слагающими горные породы, в результате неполного прилегания их поверхностей друг к другу образуются промежутки различной величины — поры. Суммарный объем всех пор в единице объема, независимо от их величины и заполнения, называется пористостью породы.
Пористость породы определяется отношением норового пространства породы к ее общему объему и выражается обычно в процентах.
Пористое пространство пород определяется не только размерами и конфигурацией составляющих породу минеральных зерен, но и наличием в ней трещин, плоскостей напластования и присутствием в порах цементирующих веществ.
Пористость пород может обусловливаться как процессами седиментации, так и процессами химического растворения. В большинстве карбонатных коллекторов, к числу которых относятся известняки и доломиты, пористость является следствием растворения кальцита пластовыми водами, содержащими растворенную углекислоту. Поровые пространства таких пород представлены обычно каналами и кавернами. Осадочная (межгранулярная) пористость обусловливается наличием промежутков между отдельными зернами породы.
Величина пористости различных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до нескольких десятков процентов. Например, пористость бакинских нефтяных песков колеблется от 18 до 52%, ставропольских газоносных алевритов и алевролитов — от 30 до 40%, волгоградских нефтяных яснополянских песчаников — от 20 до 27 %. Чаще всего пористость карбонатных пород колеблется в пределах 3-30%. Пористость глин может достигать 40-50% и выше.
Породы-коллекторы песчано-алевритового типа с пористостью меньше 5%, не содержащие трещин, разломов и каверн, обычно не представляют практического значения. А. И. Леворсен (1958) приводит такую приблизительную полевую оценку пористости пород:
— пренебрежимо малая 0-5%,
— очень хорошая 20-25%.
Однако следует помнить, что не все гранулометрические типы песчано-алевритовых пород могут быть оценены по этой шкале.
(Слайд1G3_51)
В отличие от идеальной породы обломочные зерна, слагающие осадочные породы, обычно бывают разной формы. Даже хорошо окатанные обломочные зерна песчаников редко обладают правильной сферической формой. Пористость породы, состоящей из сферических зерен разной величины, может быть выше или ниже теоретической в зависимости от размеров составляющих зерен.
Теоретическая пористость агрегатов, составленных из сфер одинакового диаметра, может колебаться от 25,96% (рис. 1) до 47,6% (рис 2). Эти пределы хорошо совпадают с пределами пористости песков, пористость которых при их естественном залегании составляет 30-50%.
Слихтер (1899 г.) указывал, что значения теоретической пористости не зависят от величины зерен. Так, пористость гравия, состоящего исключительно из зерен правильной сферической формы диаметром 2 мм,
имеет то же значение, что и у глины, сложенной тоже из зерен правильной сферической формы, но диаметром 0,05
мм.
Однако в обоих случаях пористость неравноценна: гравий хороший коллектор, а глина для нефти и газа практически непроницаема.
И. М. Губкин (1932) указывал, что понятие «высокая пористость» обычно подразумевает обилие в породе различных отверстий, понятие же «низкая пористость» указывает не столько на отсутствие или незначительное количество пор, сколько на недостаток пор, могущих вмещать и отдавать нефть. Для накопления нефти или газа в породе или извлечения их из нее имеет значение не только относительное количество пор, но и их абсолютные размеры.
Зерна реального грунта по своей форме не являются сферическими. Наличие в породе глинистых, карбонатных и других цементирующих веществ, размеры зерен которых меньше преобладающей фракции песка, ведет к уменьшению пористости песчаной породы. Чем больше поверхность соприкосновения между зернами породы, тем меньше ее пористость.
Коэффициент однородности обломочных зерен различных песков нефтеносных районов СССР колеблется от 1 до 20. Чем больше коэффициент неоднородности, тем менее однороден песок, тем меньше коэффициент пористости.
(Слайд1G3_52)
Угловатые, неправильной формы зерна могут укладываться или более плотно, или более рыхло, чем сферические. В связи с этим они могут характеризоваться в том или ином случае как наименьшей, так и наибольшей пористостью по сравнению с идеально сферическими зернами. При наименьшей пористости зерна неправильной формы должны иметь одну и ту же угловатую форму и соответственно укладываться со смещением поверхностей, достигая наиболее плотной упаковки. В природных условиях довольно часто наблюдается сравнительно рыхлая укладка зерен, обладающих неправильной, угловатой формой, что отражается на величине пористости.
Поверхность соприкосновения зерен меняется в зависимости от горного давления, геометрического расположения зерен и их формы. Форма порового пространства пород более извилиста при менее окатанном и отсортированном обломочном материале.
Поры ячеистой и каналовидной формы встречаются у известняков.
Поры, близкие к ромбоидальным и тетраэдрическим, часто наблюдаются у пород с хорошо отсортированными и окатанными зернами.
Трещиновидные поры характерны для пород с жесткими связями, испытавших действие тектонических сил, процессов выветривания, кристаллизации и т. п.
Обычно с увеличением глубины залегания пласта пористость уменьшается. Особенно это относится к глинистым породам, тогда как песчаные отложения в случае давлений, не приводящих к скалыванию граней зерен породы (не более 300 кГ/см2),
встречаются на относительно больших глубинах с достаточно высокой пористостью.
Общая пористость подразделяется на макропористость и микро-пористость. Под микропористостью понимаются поры размером менее 1 мм,
под макропористостью поры более 1
мм.
Что есть плотность
В первом приближении определение плотности кажется простым и понятным: плотность есть скалярная физическая величина (характеристика вещества), задаваемая как отношение собственной массы тела к общему объёму, этим телом занимаемому. Однако намётанный глаз сразу подметит «скользкое» место, а именно: о каком именно состоянии тела идёт речь, насколько оно однородно? Действительно, газ или жидкость (с некоторыми ограничениями) — тела в бытовом понимании по сути своей изотропные (то есть с характеристиками, одинаковыми в пределах интересующего физического объёма и не зависящими от выбранного направления в этом объёме), однако как быть с твёрдыми телами?
В предельном случае это можно продемонстрировать на твёрдом сыпучем материале, где в одном общем объёме находятся и частички самого материала, и пустоты между ними (хорошо учившие физику в школе попутно возразят, что примерно такую же картину можно получить и с газами/жидкостями, если начать «дробить» их до молекулярного/атомного уровня). Поэтому вышеприведённое определение подразумевает среднюю (иначе — усреднённую) характеристику тела для выбранного характеристического размера, а для сыпучих тел отдельно вводятся понятия «истинной плотности» (усреднённая характеристика, рассчитываемая только по фактическому объёму самих частиц) и «насыпной плотности» (расчётная характеристика для сыпучего материала с учётом всех его пустот — но без дополнительного уплотнения).
Перед переходом ко второму интересующему определению не лишним будет напомнить, что также существует и иногда практически используется на производстве термин «удельная плотность«, задаваемый как отношение плотности интересующего объекта к плотности вещества-эталона (для газов и жидкостей таковыми эталонами типично служат вода и воздух). Для оперирования удельной плотностью важно, чтобы и объект, и эталон находились при одинаковой температуре/давлении (причина в том, что в различных системах измерений эти «стандартные величины» могут браться за условную «точку отсчёта» по-разному).
Значение термина «удельный»
Можно говорить о двух толкованиях, физическом и статистическом:
- В физике так называют величину, измеренную в единице чего-либо. Для примера возьмем комнату, и подсчитаем в ней количество водяного пара. Получив величину, А граммов, мы сможем сказать, что влажность здесь составляет, А граммов водяного пара на целую комнату. Зная общее количество воздуха в помещении (Б кг), мы можем найти, сколько воды содержится в одном килограмме воздуха, узнав его удельную влажность. В одном килограмме воздуха комнаты содержится А/Б г/кг водяного пара. Таким образом, синонимом термина выступает слово относительный.
- В статистических науках так называют частный показатель, взятый относительно некого целого. Для примера возьмем годовой бюджет страны, составляющий 500 млн, и вычислим долю расходов на спорт. Предположим, на спорт выделен 1 млн рублей — это 0,2% от всех планируемых трат. Не самая весомая статья бюджета.
Это интересно: Шабер: для чего используется и что это такое
Что есть удельный вес
Под удельным весом понимается векторная физическая величина, определяемая как отношение веса тела (веса его вещества) к занимаемому телом объёму. Иначе говоря, удельный вес численно равен произведению между ускорением свободного падения и плотностью вещества (на всякий случай напомним, что вес тела — это сила действия тела на опору/подвес либо иное его крепление в гравитационном поле).
Изредка также используется не имеющее отношения к вышеуказанному частное определение, где под удельным весом понимается безразмерное число, указывающее, во сколько раз интересующая субстанция тяжелее воды (в условиях её максимальной плотности, при 4 °C) при равном объёме.
Помимо привычной бытовой неразберихи в виде отождествления массы и веса, применительно к рассматриваемому случаю нужно упомянуть ошибочное отождествление, вытекающее из использования похожей размерности в технической системы единиц МКГСС, где удельный вес задаётся как [килограмм-сила / метр кубический] (кгс/м³).
Физические формулы
Чтобы найти УВ жидкости, сыпучего материала либо твёрдого предмета, используется его плотность, ускорение. Если последняя величина постоянная, тогда плотность определяется экспериментальным путём с помощью калькулятора, электронных весов, мерной ёмкости. Пошаговые действия расчёта УВ жидкости:
- Определение объёма и веса раствора.
- Последний показатель делится на первую величину.
Если нужно найти УВ сыпучего вещества, понадобится им заполнить мерную ёмкость. Замеряется и записывается полученный объём. Вещество пересыпается в чашку. Вес определяется с помощью электронных весов. Результат делится на величину объёма. Полученное число является УВ вещества.
Для нахождения удельного веса тела с правильной геометрической фигурой используется специальная формула. Чтобы найти объём параллелепипеда, потребуется умножить ширину на высоту и длину. Тело взвешивается. Результат делится на объём.
Если тело неправильной формы, рекомендуется его установить в мерную чашу, залив водой. Записывается первый объём и аналогичный показатель воды без тела. Определяется разница: отнимается результат второго измерения от первой цифры. Полученное число — объём предмета.
Если взвесить тело отдельно, разделив его вес на объём, получится УВ. Сложнее вычислить искомую, если предмет легче воды. В таком случае его нужно прижать посторонним телом ко дну. Аналогичная схема вычислений используется для расчёта УВ жидкости либо вещества, когда известна плотность.
Примеры и решения
В наличии совокупность Wi, состоящая из нескольких компонентов, которые могут выражаться на практике в нужной единице измерения. Для определения УВ понадобится разделить каждую часть на сумму, а результат умножить на 100%.
УВ показывает значимость частей Wi. Чтобы проверить достоверность расчётов, суммируются УВ всех частей. Результат должен соответствовать 100%. Пример 1: фирма за отчётный период выпустила 100 000 книг со следующим количеством листов:
- по 30 тысяч на 12 и 48 листов;
- по 10 тысяч на 18 и 24;
- 20 тысяч на 96 листов.
Чтобы найти УВ для продукции с 12 листами, потребуется 30000 / 100000 х 100% = 30%. По аналогичной схеме находится значение W1 для остальных категорий. В сумме все удельные веса составляют 100%.
Расчёт на компьютере
Если совокупность представлена в виде множества элементов, тогда УВ каждого лучше находить с помощью Excel. На примере с тетрадями: предварительно составляется таблица из трёх столбов (название, значение и УВ). В ячейке D3 рассчитывается УВ тетрадей на 12 листов: D3 = C3 / $C$8.
Чтобы установить процентный формат, нужно нажать на соответствующую кнопку. Остальные УВ рассчитываются по аналогичной схеме. Копируется информация из ячейки D3 в нижерасположенные (D4, D5…).
Процентный формат применяется к таблице автоматически. Чтобы ускорить вычисления с дробями, специалисты советуют воспользоваться кнопкой «Увеличить разрядность». Она находится в панели инструментов вблизи с клавишей «Проценты». На последнем этапе суммируются полученные УВ. Используется соответствующая функция.
Это интересно: Проведение проверки стартера автомобиля от аккумулятора
Применение в медицине
В ряде случаев искомая характеристика определяется как коэффициент сравнения массы некого объема вещества с таким же объемом воды при 4 °C. Известно, что при этой температуре чистая дистиллированная вода имеет удельный вес, равный единице. Чем больше примесей, тем больше вес. Зная этот показатель, можно определить, насколько высока концентрация веществ в жидкости.
Это положение используется в медицине при проведении анализа мочи. Первая приведенная формула описывает, как найти удельный вес мочи. Для этого необходимо разделить вес образца на его объем.
Для экономического и хозяйственного анализа
Это понятие часто используется при анализе хозяйственной и финансовой деятельности. А также в случаях, если требуется исследование структуры социальных и подобных им объектов.
При этом, чтобы понять, как считается удельный вес той или иной составляющей, надо знать, что имеется в виду. В широком смысле — это отношение части к общему количеству. Показатель может быть посчитан в долях или процентах.
Показатель экономической деятельности
Для экономики государства обычно вычисляется доля от ВВП в процентах. Например, какую часть составляет та или иная отрасль промышленности от общего ВВП.
Например, удельный вес добавленной стоимости за год составил:
- В строительстве 10,5%.
- В сельском хозяйстве 7,0%.
- В розничной торговле 6,1%.
- В оптовой торговле 5,4%.
Нам важно знать, как получили эти цифры. Внутренний валовый продукт (ВВП) — это стоимость всех произведённых товаров и услуг в денежном выражении. Для вычислений требуется знать добавленную стоимость в отрасли. Если разделить её значение на общий ВВП и умножить на 100%, получим искомое число. При некоторых расчётах определяют не процент от общего, а долю. В этом случае на 100% умножать не требуется.
Различия между удельным весом/плотностью
Из сказанного выше видно, что исключительно мнимая схожесть плотности и удельного веса порождается минимум двумя факторами: общей похожестью построения их определений и типичным ошибочным бытовым отождествлением веса и массы. Плотность и удельный вес — это кардинально различающиеся понятия.
Вот их наиболее важные отличия, которые следует знать (помимо определений):
- Удельный вес (как, впрочем, и любая сила вообще) — векторная физическая величина, а плотность — скалярная физическая величина и характеристика вещества.
- Плотность как характеристика вещества при прочих равных условиях неизменна от места проведения измерения — а удельный вес сильно зависит даже от смены расположения места измерения в пределах Земли (например, из-за вариаций ускорения свободного падения между экваториальными и приполярными зонами), тем более — при наличии существенных внешних ускорений.
- Единицы измерения (в используемых системах СИ/СГС) в обоих случаях полностью различны: для плотности — [килограмм / метр кубический] либо [грамм / сантиметр кубический], а для удельного веса — [ньютон / метр кубический] либо [дин / сантиметр кубический].
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.