Относительная плотность

Относительная плотность , также называемая удельным весом , ^[1]^[2] является безразмерной величиной, определяемой как отношение плотности (массы единицы объема) вещества к плотности данного эталонного материала. Удельный вес для твердых тел и жидкостей почти всегда измеряется относительно воды в ее самой плотной точке (при 4 °C или 39,2 °F); для газов эталоном является воздух при комнатной температуре (20 °C или 68 °F). Термин «относительная плотность» (сокращенно rd или RD ) является предпочтительным в СИ , тогда как термин «удельный вес» постепенно отказываются. ^[3]

Если относительная плотность вещества меньше 1, то оно менее плотное, чем эталон; если больше 1, то оно плотнее, чем эталон. Если относительная плотность ровно 1, то плотности равны; то есть равные объемы двух веществ имеют одинаковую массу. Если эталонным веществом является вода, то вещество с относительной плотностью (или удельным весом) меньше 1 будет плавать в воде. Например, кубик льда с относительной плотностью около 0,91 будет плавать. Вещество с относительной плотностью больше 1 утонет.

Температура и давление должны быть указаны как для образца, так и для эталона. Давление почти всегда составляет 1 атм (101,325 кПа ). Если это не так, то обычно плотность указывают напрямую. Температуры как для образца, так и для эталона различаются в зависимости от отрасли. В британской практике пивоварения удельный вес, как указано выше, умножается на 1000. ^[4] Удельный вес обычно используется в промышленности как простое средство получения информации о концентрации растворов различных материалов, таких как рассолы , вес сусла ( сиропы , соки, мед, пивное сусло , сусло и т. д.) и кислоты.

Базовый расчет

Относительная плотность ( ) или удельный вес ( ) является безразмерной величиной , поскольку она является отношением либо плотностей, либо весов, где — относительная плотность, — плотность измеряемого вещества, — плотность эталона. (По соглашению , греческая буква ро обозначает плотность.) $РД$ $СГ$ ${\mathit {RD}}={\frac {\rho _{\mathrm {вещество} }}{\rho _{\mathrm {ссылка} }}},$ $РД$ $\rho _ {\mathrm {вещество} }$ $\rho _{\mathrm {ссылка} }$ $\ро$

Справочный материал может быть указан с помощью нижних индексов: что означает «относительная плотность вещества по отношению к справочному материалу ». Если справочный материал явно не указан, то обычно предполагается, что это вода при 4 ° C (или, точнее, 3,98 °C, что является температурой, при которой вода достигает своей максимальной плотности). В ^{единицах} СИ плотность воды составляет (приблизительно) 1000 кг / м3 или 1 г / см3 , что делает расчеты относительной плотности особенно удобными: плотность объекта ^нужно только разделить на 1000 или 1, в зависимости от единиц. $RD_{\mathrm {вещество/ссылка} }$

Относительная плотность газов часто измеряется по отношению к сухому воздуху при температуре 20 °C и давлении 101,325 кПа абсолютном, что имеет плотность 1,205 кг/м3 ^. Относительную плотность по отношению к воздуху можно получить по формуле, где - молярная масса , а знак приблизительного равенства используется, поскольку равенство имеет место только в том случае, если 1 моль газа и 1 моль воздуха занимают одинаковый объем при данной температуре и давлении, т. е. они оба являются идеальными газами . Идеальное поведение обычно наблюдается только при очень низком давлении. Например, один моль идеального газа занимает 22,414 л при 0 °C и 1 атмосфере, тогда как молярный объем диоксида углерода при тех же условиях составляет 22,259 л. ${\mathit {RD}}={\frac {\rho _{\mathrm {gas} }}{\rho _{\mathrm {air} }}}\approx {\frac {M_{\mathrm { газ} }}{M_{\mathrm {воздух} }}},$ $М$

Те, у которых SG больше 1, плотнее воды и, не принимая во внимание эффекты поверхностного натяжения , тонут в ней. Те, у которых SG меньше 1, менее плотны, чем вода, и будут плавать на ней. В научной работе отношение массы к объему обычно выражается непосредственно через плотность (массу на единицу объема) изучаемого вещества. Именно в промышленности удельный вес находит широкое применение, часто по историческим причинам.

Истинный удельный вес жидкости можно выразить математически следующим образом: где — плотность образца, а — плотность воды. ${\ displaystyle SG_ {\ mathrm {true} } = {\ frac {\ rho _ {\ mathrm {sample} } {\ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O} }}},}$ $\rho _ {\mathrm {образец} }$ $\rho _ {\ mathrm {H_ {2}O} }$

Кажущийся удельный вес — это просто отношение масс равных объемов образца и воды в воздухе: где представляет собой массу образца, измеренную в воздухе, и массу равного объема воды, измеренную в воздухе. $SG_{\mathrm {apparent} }={\frac {W_{\mathrm {A}, {\text{sample}}}}{W_{\mathrm {A},\mathrm {H_{2}O } }}},$ $W_{A,{\text{образец}}}$ ${W_{\mathrm {A},\mathrm {H_{2}O} }}$

Можно показать, что истинный удельный вес можно вычислить из различных свойств: ${\ displaystyle SG_ {\ mathrm {true} } = {\ frac {\ rho _ {\ mathrm {sample} } {\ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O} }}} = {\ frac {\ frac {m_{\mathrm {образец} }}{V}}{\frac {m_{\mathrm {H_{2}O} }}{V}}}={\frac {m_{\mathrm {sample} }}{m_{\mathrm {H_{2}O} }}}{\frac {g}{g}}={\frac {W_{\mathrm {V} ,{\text{sample}}}}{W_{\mathrm {V} ,\mathrm {H_{2}O} }}},}$

где g — локальное ускорение силы тяжести, V — объем образца и воды (одинаковый для обоих), ρ _sample — плотность образца, ρ _{H ₂ O} — плотность воды, W _V представляет собой вес, полученный в вакууме, — масса образца, а — масса равного объема воды. ${\mathit {m}}_{\mathrm {образец} }$ ${\mathit {m}}_{\mathrm {H_{2}O} }$

Плотность воды и образца меняется в зависимости от температуры и давления, поэтому необходимо указать температуры и давления, при которых определялись плотности или веса. Измерения почти всегда проводятся при 1 номинальной атмосфере (101,325 кПа ± изменения из-за изменения погодных условий), но поскольку удельный вес обычно относится к сильно несжимаемым водным растворам или другим несжимаемым веществам (например, нефтепродуктам), изменения плотности, вызванные давлением, обычно пренебрегают, по крайней мере, там, где измеряется кажущийся удельный вес. Для истинных ( в вакууме ) расчетов удельного веса необходимо учитывать давление воздуха (см. ниже). Температуры указываются с помощью обозначения ( T _s / T _r ), где T _s представляет собой температуру, при которой была определена плотность образца, а T _{r —} температуру, при которой указана опорная (водная) плотность. Например, SG (20 °C/4 °C) будет пониматься как то, что плотность образца была определена при 20 °C, а плотность воды — при 4 °C. Принимая во внимание различные температуры образца и эталона, при этом SG _{H ₂ O} =1.000 000 (20 °C/20 °C), также имеет место, что SG _{H ₂ O} =0,998 2008 ⁄0,999 9720 =0,998 2288 (20 °C/4 °C). Здесь температура указывается с использованием текущей шкалы ITS-90 , а плотности ^[5], используемые здесь и в остальной части этой статьи, основаны на этой шкале. В предыдущей шкале IPTS-68 плотности при 20 °C и 4 °C равны0,998 2041 и0,999 9720 соответственно, ^[6] что приводит к значению удельного веса (20 °C/4 °C) для воды0,998 232 .

Поскольку основное применение измерений удельного веса в промышленности заключается в определении концентраций веществ в водных растворах, и поскольку они находятся в таблицах удельного веса по сравнению с концентрацией, крайне важно, чтобы аналитик ввел таблицу с правильной формой удельного веса. Например, в пивоваренной промышленности таблица Платона перечисляет концентрацию сахарозы по весу против истинного удельного веса и изначально была (20 °C/4 °C) ^[7], т.е. основана на измерениях плотности растворов сахарозы, сделанных при лабораторной температуре (20 °C), но соотнесена с плотностью воды при 4 °C, что очень близко к температуре, при которой вода имеет максимальную плотность, _ρH2O _{, _равную} 999,972 кг/м3 ^в единицах СИ (0,999 972 г/см ³ в единицах СГС или 62,43 фунта/куб. фут в обычных единицах США ). Таблица ASBC ^[8], используемая сегодня в Северной Америке для измерений кажущегося удельного веса при (20 °C/20 °C), получена из оригинальной таблицы Плато с использованием значения Плато и др. для SG(20 °C/4 °C) =0,998 2343 . В производстве сахара, безалкогольных напитков, меда, фруктовых соков и связанных с ними отраслях концентрация сахарозы по весу берется из таблицы, подготовленной А. Бриксом , в которой используется SG (17,5 °C/17,5 °C). В качестве последнего примера, британские единицы SG основаны на эталонной и образцовой температуре 60 °F и, таким образом, составляют (15,56 °C/15,56 °C).

Учитывая удельный вес вещества, его фактическую плотность можно рассчитать, преобразовав приведенную выше формулу: $\rho _ {\ mathrm {вещество} } = SG \ times \rho _ {\ mathrm {H_ {2}O} }.$

Иногда указывается эталонное вещество, отличное от воды (например, воздух), и в этом случае удельный вес означает плотность относительно этого эталона.

Температурная зависимость

Таблицу измеренных плотностей воды при различных температурах см. в разделе Плотность .

Плотность веществ меняется в зависимости от температуры и давления, поэтому необходимо указывать температуры и давления, при которых определялись плотности или массы. Почти всегда измерения проводятся при номинальной 1 атмосфере (101,325 кПа, игнорируя изменения, вызванные изменением погодных условий), но поскольку относительная плотность обычно относится к сильно несжимаемым водным растворам или другим несжимаемым веществам (например, нефтепродуктам), изменения плотности, вызванные давлением, обычно пренебрегаются, по крайней мере, там, где измеряется кажущаяся относительная плотность. Для истинных ( в вакууме ) расчетов относительной плотности необходимо учитывать давление воздуха (см. ниже). Температуры указываются с помощью обозначения ( T _s / T _r ), где T _s представляет собой температуру, при которой была определена плотность образца, а T _{r —} температуру, при которой указана опорная (водная) плотность. Например, SG (20 °C/4 °C) будет пониматься как то, что плотность образца была определена при 20 °C, а плотность воды — при 4 °C. Принимая во внимание различные температуры образца и эталона, в то время как SG _{H ₂ O} = 1,000000 (20 °C/20 °C), также верно, что RD _{H ₂ O} = ⁠0,9982008/0,9999720⁠ = 0,9982288 (20 °C/4 °C). Здесь температура указывается с использованием текущей шкалы ITS-90 , а плотности ^[5], используемые здесь и в остальной части этой статьи, основаны на этой шкале. В предыдущей шкале IPTS-68 плотности ^[6] при 20 °C и 4 °C составляют соответственно 0,9982041 и 0,9999720, что приводит к значению RD (20 °C/4 °C) для воды 0,99823205.

Температуры двух материалов могут быть явно указаны в символах плотности, например:

относительная плотность: 8,15^{20 °С}
_{4 °С}; или удельный вес: 2,432¹⁵
₀

где верхний индекс указывает температуру, при которой измеряется плотность материала, а нижний индекс указывает температуру эталонного вещества, с которым он сравнивается.

Использует

Относительная плотность также может помочь количественно оценить плавучесть вещества в жидкости или газе или определить плотность неизвестного вещества по известной плотности другого. Относительная плотность часто используется геологами и минералогами для определения минерального состава породы или другого образца. Геммологи используют ее в качестве вспомогательного средства при идентификации драгоценных камней . Вода предпочтительнее в качестве эталона, поскольку тогда измерения легко проводить в полевых условиях (см. ниже примеры методов измерения).

Поскольку основное применение измерений относительной плотности в промышленности — это определение концентраций веществ в водных растворах, и они находятся в таблицах RD против концентрации, крайне важно, чтобы аналитик ввел таблицу с правильной формой относительной плотности. Например, в пивоваренной промышленности таблица Плато , в которой указана концентрация сахарозы по массе против истинной RD, изначально была (20 °C/4 °C) ^[7] , которая основана на измерениях плотности растворов сахарозы, сделанных при лабораторной температуре (20 °C), но соотнесена с плотностью воды при 4 °C, что очень близко к температуре, при которой вода имеет максимальную плотность ρ ( H
₂O ) равно 0,999972 г/см ³ (или 62,43 фунт-фут ^-3 ). Таблица ASBC ^[8], используемая сегодня в Северной Америке, хотя и получена из оригинальной таблицы Платона, предназначена для измерений кажущейся относительной плотности при (20 °C/20 °C) по шкале IPTS-68, где плотность воды составляет 0,9982071 г/см ³ . В производстве сахара, безалкогольных напитков, меда, фруктовых соков и связанных с ними отраслях концентрация сахарозы по массе берется из этой работы ^[4], в которой используется SG (17,5 °C/17,5 °C). В качестве последнего примера, британские единицы RD основаны на эталонной и образцовой температурах 60 °F и, таким образом, составляют (15,56 °C/15,56 °C). ^[4]

Измерение

Относительную плотность можно рассчитать напрямую, измерив плотность образца и разделив ее на (известную) плотность эталонного вещества. Плотность образца — это просто его масса, деленная на его объем. Хотя массу легко измерить, объем образца неправильной формы определить сложнее. Один из методов — поместить образец в заполненный водой градуированный цилиндр и считать, сколько воды он вытесняет. В качестве альтернативы можно наполнить контейнер до краев, погрузить образец и измерить объем перелива. Поверхностное натяжение воды может удерживать значительное количество воды от перелива, что особенно проблематично для небольших образцов. По этой причине желательно использовать контейнер для воды с как можно меньшим горлом.

Для каждого вещества плотность ρ определяется по формуле $\rho ={\frac {\text{Масса}}{\text{Объем}}}={\frac {{\text{Прогиб}}\times {\frac {\text{Жесткость пружины}}{\text{Сила тяжести}}}}{{\text{Перемещение}}_{\mathrm {Ватерлиния} }\times {\text{Площадь}}_{\mathrm {Цилиндр} }}}.$

Когда эти плотности делятся, ссылки на константу пружины, силу тяжести и площадь поперечного сечения просто отменяются, оставляя $RD={\frac {\rho _{\mathrm {object} }}{\rho _{\mathrm {ref} }}}={\frac {\frac {{\text{Deflection}}_{\mathrm {Obj.} }}{{\text{Displacement}}_{\mathrm {Obj.} }}}{\frac {{\text{Deflection}}_{\mathrm {Ref.} }}{{\text{Displacement}}_{\mathrm {Ref.} }}}}={\frac {\frac {3\ \mathrm {in} }{20\ \mathrm {mm} }}{\frac {5\ \mathrm {in} }{34\ \mathrm {mm} }}}={\frac {3\ \mathrm {in} \times 34\ \mathrm {mm} }{5\ \mathrm {in} \times 20\ \mathrm {mm} }}=1.02.$

Гидростатическое взвешивание

Относительную плотность легче и, возможно, точнее измерить без измерения объема. Используя пружинные весы, образец взвешивается сначала в воздухе, а затем в воде. Относительную плотность (по отношению к воде) можно затем рассчитать по следующей формуле: где $RD={\frac {W_{\mathrm {air} }}{W_{\mathrm {air} }-W_{\mathrm {water} }}},$

Wвозд _— вес образца в воздухе (измеряется в ньютонах , фунтах-силах или других единицах силы)
Wвода — вес образца в воде (измеряется в тех же единицах) _.

Эту технику нельзя использовать для измерения относительной плотности меньше единицы, поскольку в этом случае образец будет плавать. W _воды становится отрицательной величиной, представляющей силу, необходимую для удержания образца под водой.

Другой практический метод использует три измерения. Образец взвешивается в сухом виде. Затем взвешивается контейнер, заполненный водой до краев, и снова взвешивается с погруженным образцом, после того как вытесненная вода перельется и будет удалена. Вычитание последнего показания из суммы первых двух показаний дает вес вытесненной воды. Результат относительной плотности — это вес сухого образца, деленный на вес вытесненной воды. Этот метод позволяет использовать весы, которые не могут работать с подвешенным образцом. Образец, плотность которого меньше плотности воды, также можно обрабатывать, но его необходимо удерживать, и необходимо учитывать ошибку, вносимую фиксирующим материалом.

Ареометр

Относительную плотность жидкости можно измерить с помощью ареометра. Он состоит из шарика, прикрепленного к стержню с постоянной площадью поперечного сечения, как показано на соседней диаграмме.

Сначала ареометр погружают в эталонную жидкость (показана светло-голубым цветом), и отмечают смещение (уровень жидкости на стержне) (синяя линия). Эталоном может быть любая жидкость, но на практике это обычно вода.

Затем ареометр плавает в жидкости неизвестной плотности (показано зеленым цветом). Отмечается изменение смещения Δ x . В изображенном примере ареометр немного опустился в зеленую жидкость; следовательно, его плотность ниже плотности эталонной жидкости. Необходимо, чтобы ареометр плавал в обеих жидкостях.

Применение простых физических принципов позволяет рассчитать относительную плотность неизвестной жидкости по изменению смещения. (На практике на стержне ареометра предварительно нанесены деления для облегчения этого измерения.)

В следующем объяснении:

ρ _ref — известная плотность ( масса на единицу объема ) эталонной жидкости (обычно воды).
ρ _new — неизвестная плотность новой (зеленой) жидкости.
RD _new/ref — относительная плотность новой жидкости по отношению к эталону.
V — объем вытесненной эталонной жидкости, т.е. красный объем на диаграмме.
m — масса всего ареометра.
g — локальная гравитационная постоянная .
Δ x — изменение смещения. В соответствии с тем, как обычно градуируются ареометры, Δ x здесь принимается отрицательным, если линия смещения поднимается по стержню ареометра, и положительным, если она опускается. В изображенном примере Δ x отрицательно.
A — площадь поперечного сечения вала.

Поскольку плавающий ареометр находится в статическом равновесии , направленная вниз сила тяжести, действующая на него, должна точно уравновешивать направленную вверх силу плавучести. Сила тяжести, действующая на ареометр, — это просто его вес, mg . Из принципа плавучести Архимеда сила плавучести, действующая на ареометр, равна весу вытесненной жидкости. Этот вес равен массе вытесненной жидкости, умноженной на g , что в случае эталонной жидкости равно ρ _refVg . Приравнивая их, мы имеем $mg=\rho _{\mathrm {ref} }Vg$

или просто

Точно такое же уравнение применяется, когда ареометр плавает в измеряемой жидкости, за исключением того, что новый объем равен $V - A Δ x$ (см. примечание выше о знаке Δ x ). Таким образом,

Объединение ( 1 ) и ( 2 ) дает

Но из ( 1 ) имеем $V = m / ρ ref$ . Подстановка в ( 3 ) дает

Это уравнение позволяет рассчитать относительную плотность из изменения смещения, известной плотности эталонной жидкости и известных свойств ареометра. Если Δ x мало, то в качестве приближения первого порядка геометрического ряда уравнение ( 4 ) можно записать как: $RD_{\mathrm {new/ref} }\approx 1+{\frac {A\Delta x}{m}}\rho _{\mathrm {ref} }.$

Это показывает, что при малых Δ x изменения смещения приблизительно пропорциональны изменениям относительной плотности.

Пикнометр

Пикнометр (от древнегреческого : πυκνός , романизированного : puknos , букв. «плотный»), также называемый пикнометром или бутылкой для измерения удельного веса , представляет собой устройство, используемое для определения плотности жидкости. Пикнометр обычно изготавливается из стекла с плотно прилегающей стеклянной пробкой с капиллярной трубкой через нее, так что пузырьки воздуха могут выходить из прибора. Это устройство позволяет точно измерять плотность жидкости относительно соответствующей рабочей жидкости, такой как вода или ртуть , с помощью аналитических весов . ^[^{необходима цитата}^]

Если взвесить колбу пустой, наполненной водой и наполненной жидкостью, относительная плотность которой требуется, то относительная плотность жидкости может быть легко рассчитана. Плотность частиц порошка, к которому обычный метод взвешивания неприменим, также может быть определена с помощью пикнометра. Порошок добавляется в пикнометр, который затем взвешивается, давая вес образца порошка. Затем пикнометр заполняется жидкостью известной плотности, в которой порошок полностью нерастворим. Затем можно определить вес вытесненной жидкости, а следовательно, и относительную плотность порошка.

Газовый пикнометр , газовое проявление пикнометра, сравнивает изменение давления, вызванное измеренным изменением в замкнутом объеме, содержащем эталон (обычно стальную сферу известного объема), с изменением давления, вызванным образцом в тех же условиях. Разница в изменении давления представляет собой объем образца по сравнению с эталонной сферой и обычно используется для твердых частиц, которые могут растворяться в жидкой среде конструкции пикнометра, описанной выше, или для пористых материалов, в которые жидкость не проникает полностью.

Когда пикнометр заполнен до определенного, но не обязательно точно известного объема V и помещен на весы, он будет оказывать силу , где m _b - масса бутылки, а g - ускорение свободного падения в месте, в котором производятся измерения. ρ _a - плотность воздуха при давлении окружающей среды, а ρ _b - плотность материала, из которого сделана бутылка (обычно стекло), так что второй член - это масса воздуха, вытесненного стеклом бутылки, вес которого, по закону Архимеда, должен быть вычтен. Бутылка заполнена воздухом, но поскольку этот воздух вытесняет равное количество воздуха, вес этого воздуха отменяется весом вытесненного воздуха. Теперь мы заполняем бутылку эталонной жидкостью, например, чистой водой. Сила, действующая на чашку весов, становится: $F_{\mathrm {b} }=g\left(m_{\mathrm {b} }-\rho _{\mathrm {a} }{\frac {m_{\mathrm {b} }}{\rho _{\mathrm {b} }}}\right),$ $F_{\mathrm {w} }=g\left(m_{\mathrm {b} }-\rho _{\mathrm {a} }{\frac {m_{\mathrm {b} }}{\rho _{\mathrm {b} }}}+V\rho _{\mathrm {w} }-V\rho _{\mathrm {a} }\right).$

Если мы вычтем силу, измеренную на пустой бутылке, из этого (или тарируем весы перед измерением воды), мы получим. где нижний индекс n указывает, что эта сила за вычетом силы пустой бутылки. Бутылка теперь опорожнена, тщательно высушена и снова заполнена образцом. Сила за вычетом пустой бутылки теперь равна: где ρ _s — плотность образца. Соотношение сил образца и воды равно: $F_{\mathrm {w,n} }=gV(\rho _{\mathrm {w} }-\rho _{\mathrm {a} }),$ $F_{\mathrm {s,n} }=gV(\rho _{\mathrm {s} }-\rho _{\mathrm {a} }),$ $SG_{\mathrm {A} }={\frac {gV(\rho _{\mathrm {s} }-\rho _{\mathrm {a} })}{gV(\rho _{\mathrm {w} }-\rho _{\mathrm {a} })}}={\frac {\rho _{\mathrm {s} }-\rho _{\mathrm {a} }}{\rho _{\mathrm {w} }-\rho _{\mathrm {a} }}}.$

Это называется кажущейся относительной плотностью , обозначаемой индексом A, потому что это то, что мы получили бы, если бы взяли отношение чистых весов в воздухе с аналитических весов или использовали ареометр (стержень вытесняет воздух). Обратите внимание, что результат не зависит от калибровки весов. Единственное требование к нему — чтобы он считывался линейно с силой. RD _A также не зависит от фактического объема пикнометра.

Дальнейшие манипуляции и, наконец, замена RD _V , истинной относительной плотности (нижний индекс V используется, поскольку ее часто называют относительной плотностью в вакууме ), на ρ _s / ρ _w дает соотношение между кажущейся и истинной относительной плотностью:

$RD_{\mathrm {A} }={{\rho _{\mathrm {s} } \over \rho _{\mathrm {w} }}-{\rho _{\mathrm {a} } \over \rho _{\mathrm {w} }} \over 1-{\rho _{\mathrm {a} } \over \rho _{\mathrm {w} }}}={RD_{\mathrm {V} }-{\rho _{\mathrm {a} } \over \rho _{\mathrm {w} }} \over 1-{\rho _{\mathrm {a} } \over \rho _{\mathrm {w} }}}.$

В обычном случае мы будем измерять вес и хотим получить истинную относительную плотность. Это находится из $RD_{\mathrm {V} }=RD_{\mathrm {A} }-{\rho _{\mathrm {a} } \over \rho _{\mathrm {w} }}(RD_{\mathrm {A} }-1).$

Поскольку плотность сухого воздуха при 101,325 кПа при 20 °C составляет ^[9] 0,001205 г/см3 ^, а плотность воды — 0,998203 г/см3 ^, мы видим, что разница между истинной и кажущейся относительной плотностью для вещества с относительной плотностью (20 °C/20 °C) около 1,100 составит 0,000120. Если относительная плотность образца близка к плотности воды (например, разбавленные растворы этанола), поправка еще меньше.

Пикнометр соответствует стандартам ISO: ISO 1183-1:2004, ISO 1014–1985 и ASTM : ASTM D854.

Типы

Гей-Люссак , грушевидной формы, с перфорированной пробкой, регулируемая, емкость 1, 2, 5, 10, 25, 50 и 100 мл
как указано выше, с притертым термометром , отрегулированным, боковая трубка с крышкой
Хаббард, для битума и тяжелой сырой нефти , цилиндрического типа, ASTM D 70, 24 мл
как указано выше, конического типа, ASTM D 115 и D 234, 25 мл
Чехол с вакуумной рубашкой и термометром, емкость 5, 10, 25 и 50 мл

Цифровые плотномеры

Инструменты на основе гидростатического давления : эта технология основана на принципе Паскаля, который гласит, что разница давления между двумя точками в вертикальном столбе жидкости зависит от вертикального расстояния между двумя точками, плотности жидкости и силы тяжести. Эта технология часто используется для измерения уровня в резервуарах как удобное средство измерения уровня и плотности жидкости.

Датчики с вибрирующим элементом : этот тип прибора требует, чтобы вибрирующий элемент был помещен в контакт с интересующей жидкостью. Резонансная частота элемента измеряется и соотносится с плотностью жидкости с помощью характеристики, которая зависит от конструкции элемента. В современных лабораториях точные измерения относительной плотности производятся с помощью осциллирующих U-образных измерителей. Они способны измерять до 5-6 знаков после запятой и используются в пивоваренной, ликероводочной, фармацевтической, нефтяной и других отраслях промышленности. Приборы измеряют фактическую массу жидкости, содержащейся в фиксированном объеме при температурах от 0 до 80 °C, но поскольку они основаны на микропроцессоре, могут вычислять кажущуюся или истинную относительную плотность и содержат таблицы, связывающие их с крепостью обычных кислот, растворов сахара и т. д.

Ультразвуковой преобразователь : Ультразвуковые волны передаются от источника через интересующую жидкость в детектор, который измеряет акустическую спектроскопию волн. Свойства жидкости, такие как плотность и вязкость, могут быть выведены из спектра.

Измеритель на основе радиации : излучение передается от источника через интересующую жидкость в сцинтилляционный детектор или счетчик. По мере увеличения плотности жидкости, обнаруженное излучение «считается» будет уменьшаться. Источником обычно является радиоактивный изотоп цезий-137 с периодом полураспада около 30 лет. Ключевым преимуществом этой технологии является то, что прибору не требуется контактировать с жидкостью — обычно источник и детектор устанавливаются снаружи резервуаров или трубопроводов. ^[10]

Датчик выталкивающей силы : выталкивающая сила, создаваемая поплавком в однородной жидкости, равна весу жидкости, вытесняемой поплавком. Поскольку выталкивающая сила линейна по отношению к плотности жидкости, в которую погружен поплавок, измерение выталкивающей силы дает меру плотности жидкости. Один из имеющихся в продаже приборов утверждает, что прибор способен измерять относительную плотность с точностью ± 0,005 единиц RD. Погружная головка зонда содержит математически охарактеризованную систему пружина-поплавок. Когда головка погружается вертикально в жидкость, поплавок перемещается вертикально, а положение поплавка управляет положением постоянного магнита, смещение которого воспринимается концентрическим массивом линейных датчиков смещения на эффекте Холла. Выходные сигналы датчиков смешиваются в специальном электронном модуле, который обеспечивает единое выходное напряжение, величина которого является прямой линейной мерой измеряемой величины. ^[11]

Относительная плотность в механике грунтов

Относительная плотность является мерой текущего коэффициента пустотности по отношению к максимальному и минимальному коэффициентам пустотности, а приложенное эффективное напряжение контролирует механическое поведение несвязного грунта. Относительная плотность определяется как , где , и являются максимальным, минимальным и фактическим коэффициентами пустотности. $D_{\mathrm {R} }$ $D_{\mathrm {R} }={\frac {e_{\mathrm {max} }-e}{e_{\mathrm {max} }-e_{\mathrm {min} }}}\times 100\%$ $e_{\mathrm {max} },e_{\mathrm {min} }$ $e$

Ограничения

Удельный вес (SG) — полезная концепция, но имеет несколько ограничений. Одной из основных проблем является ее чувствительность к температуре, поскольку плотность как измеряемого вещества, так и эталона изменяется с температурой, что влияет на точность. ^[12] Она также предполагает, что материалы несжимаемы, что неверно для газов или некоторых жидкостей при различных давлениях. ^[13] Она не предоставляет подробной информации о составе или свойствах материала за пределами плотности. ^[14] Ошибки также могут возникать из-за примесей, неполного смешивания или пузырьков воздуха в жидкостях, что может исказить результаты. ^[15]

Примеры

(Образцы могут отличаться, эти цифры являются приблизительными.)

Вещества с относительной плотностью 1 обладают нейтральной плавучестью, вещества с RD больше единицы плотнее воды и поэтому (игнорируя эффекты поверхностного натяжения ) будут тонуть в ней, а вещества с RD меньше единицы менее плотны, чем вода, и поэтому будут плавать.

Пример: $RD_{\mathrm {H_{2}O} }={\frac {\rho _{\mathrm {Material} }}{\rho _{\mathrm {H_{2}O} }}}=RD,$

Плотность газа гелия составляет 0,164 г/л; ^[16] он в 0,139 раза плотнее воздуха , плотность которого составляет 1,18 г/л. ^[16]

Моча обычно имеет удельный вес от 1,003 до 1,030. Диагностический тест удельного веса мочи используется для оценки способности почек концентрировать для оценки мочевыделительной системы. ^[17] Низкая концентрация может указывать на несахарный диабет , в то время как высокая концентрация может указывать на альбуминурию или глюкозурию . ^[17]
Кровь обычно имеет удельный вес около 1,060. ^[18]
Водка крепостью 80° (40% об./об.) имеет удельный вес 0,9498. ^[19]

Смотрите также

Ссылки

^ Дэна, Эдвард Солсбери (1922). Учебник минералогии: с расширенным трактатом по кристаллографии... Нью-Йорк, Лондон (Чэпмен-холл): John Wiley and Sons. стр. 195–200, 316.
^ Шец, Джозеф А.; Аллен Э. Фус (5 февраля 1999 г.). Основы механики жидкости. Уайли, Джон и сыновья, Инкорпорейтед. стр. 111, 142, 144, 147, 109, 155, 157, 160, 175. ISBN. 0-471-34856-2.
^ Бюро мелиорации США (1978). Метрическое руководство. Министерство внутренних дел США, Бюро мелиорации. стр. 37.
^ abc Хаф, Дж. С., Бриггс, Д. Э., Стивенс, Р. и Янг, Т. В. Солодовня и пивоваренная наука, т. II Охмеленное сусло и пиво, Chapman and Hall, Лондон, 1997, стр. 881 ISBN 0-412-16590-2
^ аб Беттин, Х.; Шпивек, Ф. (1990). «Die Dichte des Wassers als Funktion der Temperatur nach Einführung des Internationalen Temperaturskala von 1990». PTB-Mitteilungen (на немецком языке). 100 : 195–196.
^ ab Kell, George S. «Плотность, тепловое расширение и сжимаемость жидкой воды от 0 до 150 °C: корреляции и таблицы для атмосферного давления и насыщения, рассмотренные и выраженные по шкале температур 1968 года». Journal of Chemical and Engineering Data . 20 : 97–105. doi :10.1021/je60064a005.
^ ab ASBC Методы анализа Предисловие к Таблице 1: Экстракт в сусле и пиве, Американское общество химиков-пивоваров, Сент-Пол, 2009
^ ab ASBC Methods of Analysis op. cit. Таблица 1: Экстракт в сусле и пиве
^ DIN51 757 (04.1994): Испытание минеральных масел и родственных материалов; определение плотности
^ Плотность – VEGA Americas, Inc. Ohmartvega.com. Получено 30.09.2011.
^ Цифровой электронный ареометр для управления процессом. Gardco. Получено 30.09.2011.
^ Шоу, П. Э. (1916). «Ньютоновская постоянная тяготения, зависящая от температуры». Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 216 (538–548): 349–392. doi : 10.1098/rsta.1916.0007 .
^ "Глава 3-Удельный вес". Справочник по инженерному проектированию: Гидравлические жидкости . Командование материально-технического снабжения армии США. 1971. стр. 3-38 . Получено 15 сентября 2024 г.
^ Тренто, Чин (5 января 2024 г.). «Удельный вес: жидкости, газы и твердые тела». Stanford Advanced Materials . Получено 15 сентября 2024 г.
^ Патент WO 1992005422A1
^ ab "Демонстрации лекций". physics.ucsb.edu .
^ ab Льюис, Шарон Мантик; Дирксен, Шеннон Рафф; Хайткемпер, Маргарет М.; Бухер, Линда; Хардинг, Марианн (5 декабря 2013 г.). Медико-хирургический уход: оценка и управление клиническими проблемами (9-е изд.). Сент-Луис, Миссури. ISBN 978-0-323-10089-2. OCLC 228373703.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
^ Шмуклер, Майкл (2004). Элерт, Гленн (ред.). «Плотность крови». The Physics Factbook . Получено 2022-01-23 .
^ "Удельный вес ликеров". Good Cocktails.com .

Дальнейшее чтение

Основы механики жидкости Уайли, Б. Р. Мансон, Д. Ф. Янг и Т. Х. Окиши
Введение в механику жидкости, четвертое издание, Wiley, версия SI, RW Fox и AT McDonald
Термодинамика: инженерный подход, второе издание, McGraw-Hill, международное издание, YA Cengel & MA Boles
Мансон, BR; ДФ Янг; ТХ Окиши (2001). Основы механики жидкостей (4-е изд.). Wiley. ISBN 978-0-471-44250-9.
Фокс, Р. В.; Макдональд, А. Т. (2003). Введение в механику жидкости (4-е изд.). Wiley. ISBN 0-471-20231-2.

Внешние ссылки

Удельный вес материалов (архив 22 мая 2006 г.)