Плотность жидкости

Что такое плотность жидкости

Если две жидкости одинаковой массы налить в сосуды, то их объемы будут разниться. Причина этому — плотность, т.е. расстояние между молекулами и атомами, образующими внутреннее строение. Эта величина скалярная и обозначается буквой ρ. В литературе можно встретить и другие обозначения, например D и d (в переводе с латинского densitans).

Обычная вода при температуре 4⁰С имеет максимальное ее значение — 1000 кг/м3. Многие жидкие продукты питания имеют близкое значение плотности. Например, обезжиренное молоко, раствор уксуса, вино. В то же время для сока из ананаса аналогичное значение составляет 1084, из винограда — 1361, апельсина — 1043 кг/м3. Пиво имеет плотность 1030 кг/м3.

Многие жидкости менее плотны, чем вода, это:

• спирт этиловый (789 кг/м3);
• нефть (от 730 до 940 кг/м3);
• бензин (от 680 до 800 кг/м3);
• ДТ (879 кг/м3).

Как определить плотность жидкости

\(\rho=m\div V\)

Где m — масса жидкости, V — ее объем.

Единицей измерения плотности является кг/м3 (для системы СИ). Обозначение в системе CUC — г/см3.

Жидкость, представляющая собой смесь двух и более компонентов, имеет значение плотности, определяемой по формуле:

\(\rho=(\rho1\times V1+\rho2V2)\div(V1+V2)\)

Существует деление жидкостей на:

1. Идеальные — имеются ввиду абсолютно подвижные жидкие вещества, на которых не действуют посторонние силы. Они неизменны в своем объеме. Таких жидкостей практически не бывает.
2. Реальные — могут сжиматься, сопротивляться давлению, т.е. реагировать на посторонние силы.

Реальные, в свою очередь, подразделяются на:

1. Ньютоновские — для них характерно послойное движение (сдвигание), скорость которого пропорциональна напряжению. Когда регистрируется абсолютный покой, напряжение равно нулю. К ньютоновским жидкостям относятся вода, масло, керосин, бензин и др.
2. Бингамовские — жидкости, имеющие начальный предел текучести, ниже которого они не текут и имеют свойства твёрдого тела.

Как влияют внешние воздействия на расчет

Понятие «плотность» зависимо от условий окружающей среды, в которых происходит ее измерение. По мере повышения либо понижения температуры плотность начинает постепенно уменьшаться. Например, плотность воды при температуре кипения составляет 958,4 кг/м3. Однако таким образом ведут себя не все жидкости. Многие, испытывая понижение температуры, увеличивают свою плотность.

Для вычисления ρ при изменении температуры вещества применяется формула:

\(\rho t=\rho20\div(1+\beta t\times(t-20))\)

Существуют особенности изменения плотности при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. Так, обычная вода при затвердевании уменьшает свою плотность. Касательно других жидкостей — при переходе в твердое состояние ρ чаще растет.

Еще один внешний фактор, под действием которого жидкость сжимается, а, следовательно, ее плотность меняется, является внешнее давление. Однако так называемая сжимаемость жидкого вещества совсем невелика — 10^-6бар.

Для характеристики реакции жидкого тела на воздействие внешнего давления вводится термин — сжимаемость. Она высчитывается по формуле:

\(\beta w=\Delta W\div W\times\Delta p=1\div\rho\times(\Delta\rho\div\Delta p)\)

Где βw — коэффициент объемного сжатия, ΔW — разница в изменении объема, Δρ — изменение плотности, Δp — изменение объема.

Введена еще одна величина, имеющая отношение к сжимаемости. Это объемный модуль упругости (Еж).

Она обратна коэффициенту объемного сжатия и определяется по формуле:

\(Еж=1\div\beta.\)

В качестве единицы измерения выступает Па — паскаль. Для примера, Еж воды равняется 2 000 МПа. 

Каким соотношением связаны плотность и удельный вес жидкости

Удельный вес жидкости (γ) — еще один параметр, от которого зависят ее свойства.

Для измерения введена специальная единица — Н/м³.

Нахождение его значения производится по формуле:

\(\gamma=G\div V\)

Где G — вес жидкости, V — объем.

Между удельным весом и плотностью жидкой среды существует прямая зависимость. Формула для определения удельного веса содержит равенство:

\(\gamma=g\times\rho\)

Отличием удельного веса от плотности является тот факт, что он зависит от места проведения измерений, в т.ч. от высоты над уровнем моря и географической широты.