§ 23. Плотность вещества

скалярная физическая величина, численно равная массе вещества, содержащегося в единице объема, и определяемая отношением массы тела к его объему.

• 1. Обозначение и формула — обозначается греческой буквой $\rho$ («ро»):

$$\rho = \frac{m}{V}$$

• 2. Физический смысл — показывает, какую массу имеет тело из данного вещества объемом $1\text{ м}^3$ (или $1\text{ см}^3$). Например, плотность чистой воды $\rho = 1000\text{ кг}/\text{м}^3$ означает, что $1\text{ м}^3$ воды имеет массу ровно $1000\text{ кг}$.
• 3. Постоянство величины — плотность является специфической физической характеристикой вещества; при неизменных внешних условиях (температуре и давлении) она строго постоянна и не зависит ни от геометрической формы, ни от массы, ни от объема конкретного тела.

величины, служащие для количественного выражения плотности тел и веществ:

• 1. Основная единица в СИ — килограмм на метр кубический ($\text{кг}/\text{м}^3$).
• 2. Практическая внесистемная единица — грамм на сантиметр кубический ($\text{г}/\text{см}^3$).
• 3. Соотношение единиц и перевод:

$$1\text{ г}/\text{см}^3 = \frac{0{,}001\text{ кг}}{0{,}000001\text{ м}^3} = 1000\text{ кг}/\text{м}^3$$

$$1\text{ кг}/\text{м}^3 = 0{,}001\text{ г}/\text{см}^3 = 10^{-3}\text{ г}/\text{см}^3$$

микроскопическая первопричина различия плотностей различных веществ, обусловленная их строением:

• 1. Различие масс молекул — молекулы разных химических веществ имеют существенно разную массу (например, масса молекулы ртути примерно в 11 раз превышает массу молекулы воды).
• 2. Плотность упаковки и межмолекулярные промежутки — среднее расстояние между центрами молекул в разных веществах неодинаково, что определяет концентрацию массы в заданном пространстве.
• 3. Агрегатное состояние — для одного и того же вещества плотность в твердом состоянии, как правило, выше, чем в жидком, а в жидком во много раз выше, чем в газообразном (важнейшим природным аномальным исключением является вода, плотность которой в жидком виде при $4^\circ\text{C}$ составляет $1000\text{ кг}/\text{м}^3$, а плотность твердого льда — $900\text{ кг}/\text{м}^3$).

экспериментально определенные и систематизированные справочные массивы данных плотностей твердых тел, жидкостей и газов при стандартных условиях (температура $20^\circ\text{C}$, нормальное атмосферное давление).

• 1. Плотности твердых тел — от сверхплотных металлов (осмий $22\,600\text{ кг}/\text{м}^3$, иридий $22\,400\text{ кг}/\text{м}^3$, платина $21\,500\text{ кг}/\text{м}^3$, золото $19\,300\text{ кг}/\text{м}^3$, свинец $11\,300\text{ кг}/\text{м}^3$) до сверхлегких материалов (пробка $240\text{ кг}/\text{м}^3$).
• 2. Плотности жидкостей — от тяжелой ртути ($13\,600\text{ кг}/\text{м}^3$) до легких углеводородов (бензин $710\text{ кг}/\text{м}^3$, эфир $710\text{ кг}/\text{м}^3$).
• 3. Плотности газов — хлор ($3{,}21\text{ кг}/\text{м}^3$), углекислый газ ($1{,}98\text{ кг}/\text{м}^3$), воздух ($1{,}30\text{ кг}/\text{м}^3$), гелий ($0{,}18\text{ кг}/\text{м}^3$), водород ($0{,}09\text{ кг}/\text{м}^3$).

колоссальный диапазон плотностей материи во Вселенной:

• 1. Планеты — планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) имеют высокую среднюю плотность ($4000\text{--}5500\text{ кг}/\text{м}^3$) и твердую кору, а планеты-гиганты (Юпитер $1{,}33\text{ г}/\text{см}^3$, Сатурн $0{,}69\text{ г}/\text{см}^3$) обладают низкой средней плотностью и состоят преимущественно из водорода и гелия.
• 2. Белые карлики — сверхплотные компактные остатки звезд (например, спутник Сириуса $\rho \approx 40\,000\text{ г}/\text{см}^3$, звезда Ван Маанена $\rho \approx 1\,200\,000\text{ г}/\text{см}^3$, звезда Вольф 457 $\rho \approx 140\,000\,000\text{ г}/\text{см}^3$), где спичечный коробок вещества весит десятки и сотни тонн.
• 3. Звезды-гиганты и межзвездная среда — красный сверхгигант Бетельгейзе имеет среднюю плотность около $10^{-6}\text{ г}/\text{см}^3$ (в $1000$ раз меньше плотности воздуха), а межзвездная среда — около $10^{-24}\text{ г}/\text{см}^3$.

Плотность — это физическая величина, равная отношению массы тела к его объёму:

$$\rho = \frac{m}{V}$$

Плотность вещества показывает, чему равна масса этого вещества, взятого в единице объёма (в $1\text{ м}^3$ или в $1\text{ см}^3$). Плотность является качественной характеристикой самого вещества и при постоянных температуре и давлении не зависит от размеров или геометрической формы конкретного тела.

Плотность вещества рассчитывают по формуле деления массы тела на занимаемый им объём:

$$\rho = \frac{m}{V}$$

где:

• $\rho$ (греческая буква «ро») — плотность вещества ($\text{кг}/\text{м}^3$ или $\text{г}/\text{см}^3$);
• $m$ — масса тела ($\text{кг}$ или $\text{г}$);
• $V$ — объём тела ($\text{м}^3$ или $\text{см}^3$).

Нет, не зависит.

Плотность является внутренним физическим свойством самого материала (вещества) и определяется его молекулярным строением — массой отдельных атомов (молекул) и плотностью их взаимной упаковки при данных температуре и давлении.

Если мы увеличим или уменьшим объём тела из однородного вещества в несколько раз, то ровно во столько же раз изменится и его масса, поэтому их отношение $\frac{m}{V}$ останется строго постоянным:

$$\frac{m}{V} = \text{const} = \rho$$

Таким образом, ни от массы тела, ни от его объёма плотность данного вещества не зависит.

Известны следующие основные единицы плотности:

• Основная единица в Международной системе единиц (СИ):

Килограмм на метр кубический ($\text{кг}/\text{м}^3$) — плотность однородного вещества, масса $1\text{ м}^3$ которого равна ровно $1\text{ кг}$.

• Широко применяемая практическая дольная единица:

Грамм на сантиметр кубический ($\text{г}/\text{см}^3$) — плотность вещества, масса $1\text{ см}^3$ которого равна $1\text{ г}$.

Связь между единицами:

$$1\text{ г}/\text{см}^3 = 1000\text{ кг}/\text{м}^3 \quad \Longleftrightarrow \quad 1\text{ кг}/\text{м}^3 = 0{,}001\text{ г}/\text{см}^3$$