Войти
| Удельный вес | |
|---|---|
| Общие символы | SG |
| Единица СИ | Без единиц измерения |
| Производные от. других величин |  |
Помощник боцмана авиации ВМС США проверяет удельный вес топлива JP-5 Относительная плотность или удельный вес - это отношение плотности (масса единицы объема) вещества к плотности данного справочный материал. Удельный вес жидкостей почти всегда измеряется по отношению к воде 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» часто используется в научных целях.
Если относительная плотность вещества меньше единицы, то оно менее плотное, чем эталон; если больше 1, то он плотнее эталона. Если относительная плотность равна точно 1, то плотности равны; то есть равные объемы двух веществ имеют одинаковую массу. Если эталонным материалом является вода, то вещество с относительной плотностью (или удельным весом) менее 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 равно 1 атм (101,325 кПа ). Если это не так, обычно плотность указывается напрямую. Температуры как для образца, так и для эталона варьируются от отрасли к отрасли. В британской пивоваренной практике удельный вес, как указано выше, умножается на 1000. Удельный вес обычно используется в промышленности как простое средство получения информации о концентрации растворов различных материалов, таких как рассолы, сахар растворы (сиропы, соки, мед, пивоваренное сусло, сусло и т. Д.) И кислоты.
Относительная плотность (RD) или удельный вес (SG) a безразмерная величина, так как это отношение плотности или веса
где RD - относительная плотность, ρ субстанция - плотность измеряемого вещества, а ρ ссылка - плотность ссылки. (По соглашению ρ греческая буква rho обозначает плотность.)
Справочный материал может быть обозначен с помощью нижних индексов: RD вещество / ссылка, что означает « относительная плотность вещества относительно эталона ". Если ссылка не указана явно, то обычно предполагается, что это вода при 4 ° C (или, точнее, 3,98 ° C, что является температура, при которой вода достигает максимальной плотности). В единицах SI плотность воды составляет (приблизительно) 1000 kg /m или 1 g /cm, что делает вычисления относительной плотности особенно удобными: плотность объекта нужно всего лишь разделить на 1000 или 1, в зависимости от агрегатов.
Относительная плотность газов часто измеряется по отношению к сухому воздуху при температуре 20 ° C и абсолютном давлении 101,325 кПа, который имеет плотность 1,205 кг / м 2. Относительную плотность по отношению к воздуху можно получить следующим образом:
Где M - используется молярная масса и знак приблизительно равенства, потому что равенство имеет место только в том случае, если 1 моль газа и 1 моль воздуха занимают один и тот же объем при данной температуре и давлении, т.е. они оба Идеальные газы. 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 диоксид углерода имеет молярный объем 22,259 л при тех же условиях.
Те, у кого удельная плотность больше 1, плотнее воды и, не считая эффекта поверхностного натяжения, тонут в ней. Те, у кого удельная плотность меньше 1, менее плотны, чем вода, и будут плавать по ней. В научной работе отношение массы к объему обычно выражается непосредственно через плотность (масса на единицу объема) исследуемого вещества. Именно в промышленности удельный вес находит широкое применение, часто по историческим причинам.
Истинный удельный вес жидкости можно выразить математически следующим образом:
где ρ sample - плотность образца, а ρ H2O- плотность воды.
Кажущийся удельный вес - это просто отношение веса равных объемов пробы и воды в воздухе:
где W A, образец представляет вес образца, измеренный в воздухе, а W A, H 2Oвес равного объема воды, измеренный в воздухе.
Можно показать, что истинный удельный вес может быть вычислен из различных свойств:
где g - местное ускорение свободного падения, V - объем образца и вода (одинаковая для обоих), ρ образец - плотность образца, ρ H2O- плотность воды, W V - вес, полученный в вакууме, 
Плотность воды зависит от температуры и давления, как и плотность образца. Поэтому необходимо указать температуры и давления, при которых были определены плотности или веса. Почти всегда измерения проводятся при 1 номинальной атмосфере (101,325 кПа ± отклонения от меняющихся погодных условий). Но поскольку удельный вес обычно относится к водным растворам с высокой степенью несжимаемости или другим несжимаемым веществам (таким как нефтепродукты), вариациями плотности, вызванными давлением, обычно пренебрегают, по крайней мере, там, где измеряется кажущийся удельный вес. Для расчета истинного (в вакууме) удельного веса необходимо учитывать давление воздуха (см. Ниже). Температуры задаются обозначением (T s/Tr), где T s представляет температуру, при которой была определена плотность образца, а T r - температура, при которой эталон (вода) указана плотность. Например, SG (20 ° C / 4 ° C) следует понимать как означающее, что плотность образца была определена при 20 ° C, а плотность воды - при 4 ° C. Принимая во внимание различную температуру образца и эталонную температуру, отметим, что, хотя SG H2O= 1,000000 (20 ° C / 20 ° C), также верно и то, что SG H2O= ⁄ 0,999840 = 0,998363 (20 ° C / 4 ° C). Здесь температура указывается с использованием текущей шкалы ITS-90, а плотности, используемые здесь и в остальной части этой статьи, основаны на этой шкале. По предыдущей шкале IPTS-68 плотности при 20 ° C и 4 ° C составляют 0,9982071 и 0,9999720 соответственно, в результате чего значение удельной плотности воды (20 ° C / 4 ° C) составляет 0,9982343.
Поскольку измерение удельного веса в основном используется в промышленности, это определение концентраций веществ в водных растворах и поскольку они находятся в таблицах зависимости удельного веса от концентрации, чрезвычайно важно, чтобы аналитик вводил в таблицу правильный вид удельного веса. Например, в пивоваренной промышленности в таблице Плато указана концентрация сахарозы по массе относительно истинной удельной плотности, и она была первоначально (20 ° C / 4 ° C), то есть основана на измерениях плотности растворов сахарозы, полученных при лабораторная температура (20 ° C), но относительно плотности воды при 4 ° C, которая очень близка к температуре, при которой вода имеет максимальную плотность, ρ H2O, равное 999,972 кг / м3 в единицах СИ (0,999972 г / см в кубических единицах или 62,43 фунта / кубических футов в обычных единицах США ). Таблица ASBC, используемая сегодня в Северной Америке, в то время как она получена из исходной таблицы Платона, предназначена для измерений кажущегося удельного веса при (20 ° C / 20 ° C) по шкале IPTS-68, где плотность воды 0,9982071 г / см. В производстве сахара, безалкогольных напитков, меда, фруктовых соков и смежных отраслях концентрация сахарозы по массе берется из таблицы, подготовленной A. Brix, в котором используется SG (17,5 ° C / 17,5 ° C). В качестве последнего примера британские единицы SG основаны на эталонной температуре и температуре образца 60 ° F и, таким образом, составляют (15,56 ° C / 15,56 ° C).
Учитывая удельный вес вещества, его фактическую плотность можно рассчитать, переписав приведенную выше формулу:
Иногда указывается эталонное вещество, отличное от воды (например,, воздух), и в этом случае удельный вес означает плотность относительно этого эталона.
Плотность веществ зависит от температуры и давления, поэтому необходимо укажите температуры и давления, при которых определялись плотности или массы. Практически всегда измерения проводятся при номинальной температуре в 1 атмосферу (101,325 кПа без учета изменений, вызванных изменением погодных условий), но поскольку относительная плотность обычно относится к водным растворам с высокой степенью несжимаемости или другим несжимаемым веществам (таким как нефтепродукты), изменения плотности вызванные давлением, обычно не учитываются, по крайней мере, там, где измеряется кажущаяся относительная плотность. Для истинных (в вакууме) расчетов относительной плотности необходимо учитывать давление воздуха (см. Ниже). Температуры задаются обозначением (T s/Tr), где T s представляет температуру, при которой была определена плотность образца, а T r - температура, при которой эталонная плотность (воды) указан. Например, SG (20 ° C / 4 ° C) следует понимать как означающее, что плотность образца была определена при 20 ° C, а плотность воды - при 4 ° C. Принимая во внимание различные температуры образца и эталонные температуры, отметим, что хотя SG H2O= 1,000000 (20 ° C / 20 ° C), также имеет место RD H2O= 0,998203 / 0,998840 = 0,998363 (20 ° C / 4 ° C). C). Здесь температура указывается с использованием текущей шкалы ITS-90, а плотности, используемые здесь и в остальной части этой статьи, основаны на этой шкале. По предыдущей шкале IPTS-68 плотности при 20 ° C и 4 ° C составляют соответственно 0,9982071 и 0,9999720, в результате чего значение RD (20 ° C / 4 ° C) для воды составляет 0,9982343.
Температуры двух материалов могут быть явно указаны в символах плотности; например:
, где верхний индекс указывает температуру, при которой измеряется плотность материала, а нижний индекс указывает температуру эталонного вещества, с которым он сравнивается.
Относительная плотность также может помочь количественно оценить плавучесть вещества в жидкости или газе или определить плотность неизвестного вещество с известной плотностью другого. Относительная плотность часто используется геологами и минералогами для определения содержания минералов в породе или другом образце. Геммологи используют его как вспомогательное средство при идентификации драгоценных камней. Вода предпочтительна в качестве эталона, потому что измерения затем легко проводить в полевых условиях (см. Ниже примеры методов измерения).
Поскольку основным применением измерений относительной плотности в промышленности является определение концентраций веществ в водных растворах, которые можно найти в таблицах зависимости RD от концентрации, чрезвычайно важно, чтобы аналитик вводил таблицу в правильной форме. относительной плотности. Например, в пивоваренной промышленности таблица Plato, в которой указана массовая концентрация сахарозы в сравнении с истинным RD, изначально была (20 ° C / 4 ° C) и основана на измерениях плотности растворов сахарозы. сделано при лабораторной температуре (20 ° C), но относится к плотности воды при 4 ° C, что очень близко к температуре, при которой вода имеет максимальную плотность ρ (H. 2O), равную 0,999972 г / см ( или 62,43 фунт · фут). Таблица ASBC, используемая сегодня в Северной Америке, в то время как она получена из исходной таблицы Плато, предназначена для измерений кажущейся относительной плотности при (20 ° C / 20 ° C) по шкале IPTS-68, где плотность воды 0,9982071 г / см. Массовая концентрация сахарозы в производстве сахара, безалкогольных напитков, меда, фруктовых соков и связанных с ними отраслей взята из этой работы, где используется SG (17,5 ° C / 17,5 ° C). В качестве последнего примера британские единицы RD основаны на эталонной температуре и температуре образца 60 ° F и, таким образом, составляют (15,56 ° C / 15,56 ° C).
Относительная плотность может быть рассчитывается непосредственно путем измерения плотности образца и деления ее на (известную) плотность эталонного вещества. Плотность образца - это просто его масса, деленная на его объем. Хотя массу легко измерить, объем образца неправильной формы бывает труднее определить. Один из методов - поместить образец в заполненный водой мерный цилиндр и определить, сколько воды он вытеснил. В качестве альтернативы контейнер может быть заполнен до краев, образец погружен в воду и измерен объем перелива. Поверхностное натяжение воды может удерживать значительное количество воды от перелива, что особенно проблематично для небольших образцов. По этой причине желательно использовать емкость для воды с как можно меньшим отверстием.
Для каждого вещества плотность ρ определяется как
Когда эти плотности разделены, ссылки на постоянную пружины, сила тяжести и площадь поперечного сечения просто сокращаются, оставляя
Относительная плотность больше легко и, возможно, более точно измерить без измерения объема. С помощью пружинных весов образец взвешивается сначала на воздухе, а затем в воде. Относительную плотность (по отношению к воде) можно затем рассчитать по следующей формуле:
где
Этот метод не может быть легко использован для измерения относительной плотности меньше единицы, потому что тогда образец будет плавать. W вода становится отрицательной величиной, представляющей силу, необходимую для удержания образца под водой.
Другой практический метод использует три измерения. Образец взвешивают насухо. Затем контейнер, заполненный водой до краев, взвешивают и снова взвешивают с погруженным образцом после того, как вытесненная вода переливается и удаляется. Вычитание последнего показания из суммы первых двух показаний дает вес вытесненной воды. Результат относительной плотности - это вес сухой пробы, деленный на вес вытесненной воды. Этот метод работает с весами, которые не могут легко вместить взвешенный образец, а также позволяет измерять образцы, которые менее плотны, чем вода.
Относительная плотность жидкости может быть измерена с помощью ареометра. Он состоит из луковицы, прикрепленной к стеблю постоянной площади поперечного сечения, как показано на рисунке рядом.
Сначала ареометр помещается в эталонную жидкость (показана голубым) и отмечается смещение (уровень жидкости на стержне) (синяя линия). Эталоном может быть любая жидкость, но на практике это обычно вода.
Затем ареометр погружается в жидкость неизвестной плотности (показана зеленым). Отмечается изменение смещения Δx. В изображенном примере ареометр немного опустился в зеленой жидкости; следовательно, его плотность ниже, чем у эталонной жидкости. Конечно, необходимо, чтобы ареометр плавал в обеих жидкостях.
Применение простых физических принципов позволяет рассчитать относительную плотность неизвестной жидкости по изменению смещения. (На практике стержень ареометра предварительно размечен градуировкой, чтобы облегчить это измерение.)
В пояснении ниже
Поскольку плавающий ареометр находится в статическом равновесии, действующая на него направленная вниз гравитационная сила должна точно уравновешивать восходящая сила плавучести. Гравитационная сила, действующая на ареометр, - это просто его вес в мг. Согласно принципу Архимеда плавучести, сила плавучести, действующая на ареометр, равна весу вытесненной жидкости. Этот вес равен массе вытесненной жидкости, умноженной на г, что в случае эталонной жидкости равно ρ ref Vg. Приравнивая их, мы получаем
или просто
 | (1) |
Точно такое же уравнение применяется, когда ареометр плавает в измеряемой жидкости, за исключением того, что новый объем равен V - AΔx (см. примечание выше о знаке Δx). Таким образом,
 | (2) |
Объединение (1) и (2) дает
 | (3) |
Но из (1) мы имеем V = m / ρ исх.. Подстановка в (3) дает
 | (4) |
Это уравнение позволяет рассчитать относительную плотность по изменению смещения, известной плотности эталонная жидкость и известные свойства ареометра. Если Δx мало, то в качестве аппроксимации первого порядка уравнения (4) геометрического ряда можно записать как:
Это показывает, что, при малых Δx изменения смещения приблизительно пропорциональны изменениям относительной плотности.
Пустой стеклянный пикнометр и пробка 
Заполненный пикнометр A пикнометр (от греческого : πυκνός (puknos), что означает «плотный»), также пикнометр или баллон для определения плотности - это устройство, используемое для определения плотности жидкости. Пикнометр обычно изготавливается из стекла с плотно прилегающей матовой стеклянной пробкой, через которую проходит капиллярная трубка, чтобы воздух пузыри могут выходить из аппарата. Это устройство позволяет точно измерить плотность жидкости относительно соответствующей рабочей жидкости, такой как вода или ртуть, с помощью аналитических весов .
Если колба взвешенный пустой, полный воды и полный жидкости, относительная плотность которой желательна, относительную плотность жидкости можно легко вычислить. Плотность частиц порошка, к которому нельзя применить обычный метод взвешивания, также можно определить с помощью пикнометра. Порошок добавляют в пикнометр, который затем взвешивают, определяя вес образца порошка. Затем пикнометр заполняется жидкостью известной плотности, в которой порошок полностью нерастворим. Затем можно определить вес вытесненной жидкости и, следовательно, относительную плотность порошка.
A газовый пикнометр, основанное на газе проявление пикнометра, сравнивает изменение давления, вызванное измеренным изменением в замкнутом объеме, содержащем эталон (обычно стальной шар известного объема), с изменением давления, вызванным по образцу при 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 попадет. полностью проникнуть.
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 и g ускорение свободного падения в месте, в котором производятся измерения. ρ a - это плотность воздуха при атмосферном давлении, а ρ b - плотность материала, из которого сделана бутылка (обычно стекла), так что второй член представляет собой масса воздуха, вытесненного стеклом бутылки, вес которой, согласно Принципу Архимеда, должен быть вычтен. Бутылка, конечно, наполнена воздухом, но поскольку этот воздух вытесняет такое же количество воздуха, вес этого воздуха компенсируется весом вытесняемого воздуха. Теперь мы наполняем бутылку эталонной жидкостью, например. чистая вода. Сила, действующая на чашу весов, принимает вид:
Если мы вычтем из этого силу, измеренную на пустой бутылке (или тарируем весы перед измерением воды), мы получим.
где нижний индекс n указывает, что эта сила не зависит от силы пустой бутылки. Бутылка опорожнена, тщательно высушена и снова наполняется образцом. Сила, за вычетом пустой бутылки, теперь равна:
, где ρ s - плотность образца. Соотношение сил образца и воды составляет:
Это называется кажущейся относительной плотностью и обозначается нижним индексом A, потому что это то, что мы получили бы, если бы взяли соотношение чистых весов в воздухе с аналитических весов или использовали ареометр (шток вытесняет воздух). Учтите, что результат не зависит от калибровки весов. Единственное требование к нему - чтобы он читался линейно с силой. RD A также не зависит от фактического объема пикнометра.
Дальнейшие манипуляции и, наконец, замена RD V, истинной относительной плотности (используется индекс V, потому что его часто называют относительной плотностью в вакууме) для ρ s/ρwдает соотношение между кажущейся и истинной относительной плотностью.
В обычном случае мы будем измерили вес и хотите получить истинную относительную плотность. Это находится из
Поскольку плотность сухого воздуха при 101,325 кПа при 20 ° C составляет 0,001205 г / см, а плотность воды составляет 0,998203 г / см, мы видим, что разница между истинной и кажущейся относительной плотностью для вещество с относительной плотностью (20 ° C / 20 ° C) около 1,100 будет 0,000120. Если относительная плотность образца близка к плотности воды (например, разбавленные растворы этанола), поправка еще меньше.
Пикнометр используется в стандарте ISO: ISO 1183-1: 2004, ISO 1014–1985 и стандарте ASTM : ASTM D854.
Типы
Приборы 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., плотность жидкости и сила тяжести. Эта технология часто используется для измерения уровня жидкости в резервуарах в качестве удобного средства измерения уровня и плотности жидкости.
Преобразователи вибрирующего элемента: для этого типа инструмента требуется, чтобы вибрирующий элемент находился в контакте с исследуемой жидкостью. Резонансная частота элемента измеряется и связана с плотностью жидкости характеристикой, которая зависит от конструкции элемента. В современных лабораториях точные измерения относительной плотности производятся с помощью качающихся U-образных трубок. Они могут производить измерения с точностью до 5-6 знаков после запятой и используются в пивоваренной, дистилляционной, 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 рассчитывать кажущуюся или истинную относительную плотность и содержать таблицы, относящиеся к силе обычных кислот, растворов сахара и т. Д..
Ультразвуковой преобразователь: Ультразвуковые волны проходят от источника через интересующую жидкость и попадают в детектор, который измеряет акустическую спектроскопию волн. Такие свойства жидкости, как плотность и вязкость, можно определить по спектру.
Измеритель на основе излучения: Излучение проходит от источника через исследуемую жидкость в сцинтилляционный детектор или счетчик. По мере увеличения плотности жидкости регистрируемое излучение будет уменьшаться. Источником обычно является радиоактивный изотоп цезий-137 с периодом полураспада около 30 лет. Ключевым преимуществом этой технологии является то, что прибор не должен контактировать с жидкостью - обычно источник и детектор устанавливаются снаружи резервуаров или трубопроводов.
Датчик выталкивающей силы: создаваемая выталкивающая сила поплавком в однородной жидкости равна массе жидкости, вытесняемой поплавком. Поскольку выталкивающая сила линейна по отношению к плотности жидкости, в которую погружен поплавок, мера выталкивающей силы дает меру плотности жидкости. Один коммерчески доступный прибор утверждает, что прибор способен измерять относительную плотность с точностью ± 0,005 единиц RD. Погружная головка зонда содержит пружинно-поплавковую систему математических характеристик. Когда головка погружается в жидкость вертикально, поплавок перемещается вертикально, и положение поплавка контролирует положение постоянного магнита, смещение которого определяется концентрическим набором датчиков линейного перемещения на эффекте Холла. Выходные сигналы датчиков смешиваются в специальном электронном модуле, который обеспечивает одно выходное напряжение, величина которого является прямой линейной мерой измеряемой величины.
| Материал | Удельный вес |
|---|---|
| Бальза | 0,2 |
| Дуб древесина | 0,75 |
| Этанол | 0,78 |
| Оливковое масло | 0,91 |
| Вода | 1 |
| Ironwood | 1.5 |
| Graphite | 1.9–2.3 |
| Table salt | 2.17 |
| Aluminium | 2.7 |
| Cement | 3.15 |
| Iron | 7.87 |
| Copper | 8.96 |
| Lead | 11.35 |
| Mercury | 13.56 |
| Depleted uranium | 19.1 |
| Gold | 19.3 |
| Osmium | 22.59 |
(Samples may vary, and these figures are approximate.) Substances with a relative density of 1 are neutrally buoyant, those with RD greater than one are denser than water, and so (ignoring surface tension effects) will sink in it, and those with an RD of less than one are less dense than water, and so will float.
Example:
Helium gas has a density of 0.164 g/L; it is 0.139 times as dense as air, which has a density of 1.18 g/L.
