Διαφορά μεταξύ πυκνότητας και ειδικού βάρους

Η πυκνότητα και το ειδικό βάρος είναι δύο ιδιότητες της ύλης που σχετίζονται στενά μεταξύ τους. Ωστόσο, δεν είναι το ίδιο. Και οι δύο είναι έντονες ιδιότητες που σχετίζονται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο με τη μάζα και τον όγκο των ουσιών και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της άνωσης διαφορετικών σωμάτων σε διαφορετικά ρευστά, αλλά έχουν επίσης διαφορές που κάνουν τη χρήση του ενός πιο πρακτική από το άλλο ο άλλος σε ορισμένες περιπτώσεις.

Στη συνέχεια, θα δούμε τι είναι η πυκνότητα και το ειδικό βάρος και θα δούμε τα πιο σχετικά χαρακτηριστικά που διακρίνουν το ένα από το άλλο.

Τι είναι η πυκνότητα;

Η πυκνότητα ενός υλικού είναι η μάζα του ανά μονάδα όγκου. Είναι μια έντονη ιδιότητα που χαρακτηρίζει κάθε υλικό. Σε πολλά γνωστικά πεδία, η πυκνότητα αντιπροσωπεύεται από το γράμμα d . Ωστόσο, σε ορισμένες φυσικές επιστήμες όπως η φυσική και η χημεία, καθώς και στις περισσότερες μηχανικές, αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο ρ (το πεζό ελληνικό γράμμα rho ).

Η πυκνότητα υπολογίζεται με τον ακόλουθο τύπο:

όπου ρ είναι η πυκνότητα, m είναι η μάζα και V είναι ο όγκος του υλικού ή του αντικειμένου.

Μονάδες πυκνότητας

Οι μονάδες της πυκνότητας είναι [m]/[V] ή, το ίδιο, [m]/[L] ³ . Μερικά παραδείγματα μονάδων πυκνότητας σε διαφορετικά συστήματα μονάδων είναι:

τύπος κλίμακας

Η πυκνότητα είναι μια ιδιότητα που μετριέται σε απόλυτη κλίμακα. Δηλαδή, η τιμή του πηγαίνει από το 0 και μετά, ανεξάρτητα από τις μονάδες που χρησιμοποιούνται, και η τιμή του εξαρτάται μόνο από το εν λόγω υλικό, όχι από οποιοδήποτε άλλο υλικό ή σύστημα αναφοράς.

Εξάρτηση της πυκνότητας με τη θερμοκρασία

Η μάζα ενός σώματος είναι ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία, αλλά ο όγκος του δεν είναι. Τα περισσότερα υλικά διαστέλλονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Όταν συμβεί αυτό, η πυκνότητα, η οποία διαιρείται με τον όγκο, μειώνεται.

Υπάρχουν, ωστόσο, παραδείγματα ουσιών που συστέλλονται με τη θερμοκρασία. Τέτοια είναι η περίπτωση του νερού. Γενικά, η πυκνότητα του νερού μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και αυξάνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Ωστόσο, με την ψύξη του νερού, λίγο πριν από το σημείο πήξης, η πυκνότητα μειώνεται αντί να αυξάνεται. Αυτό εξηγεί γιατί ο πάγος, που επιπλέει πάνω στο νερό, είναι λιγότερο πυκνός από το νερό.

Όργανο μέτρησης

Η πυκνότητα των υγρών προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας ένα όργανο που ονομάζεται λήκυθο και με αναλυτικό ζυγό. Το λήκυτο επιτρέπει τη μέτρηση των όγκων με πολύ υψηλό βαθμό ακρίβειας, ενώ η διαφορά μεταξύ πλήρους και κενού μάζας που προσδιορίζεται με τη χρήση αναλυτικού ζυγού επιτρέπει τη μέτρηση της μάζας με την ίδια ακρίβεια και ακρίβεια.

Χρήσεις πυκνότητας

Η πυκνότητα χρησιμοποιείται για διαφορετικούς τύπους υπολογισμών. Αφενός, επιτρέπει τον προσδιορισμό όγκων ή μαζών οποιασδήποτε ουσίας, δεδομένου ότι γνωρίζουμε τη μάζα ή τον όγκο αντίστοιχα.

Είναι χρήσιμο για την αναγνώριση ή τη διαφοροποίηση διαφορετικών υλικών. Όντας μια χαρακτηριστική ιδιότητα της ύλης, κάθε υλικό έχει μια συγκεκριμένη πυκνότητα σε μια δεδομένη θερμοκρασία.

Έχει μεγάλη σημασία στη μηχανική των ρευστών αφού η διαφορά μεταξύ των πυκνοτήτων ενός αντικειμένου και εκείνης ενός ρευστού καθορίζει την άνωση του πρώτου στο δεύτερο.

Τι είναι το ειδικό βάρος;

Το ειδικό βάρος , που ονομάζεται επίσης σχετική πυκνότητα, είναι η αναλογία μεταξύ της πυκνότητας μιας ουσίας ή ενός υλικού και της πυκνότητας ενός άλλου υλικού αναφοράς κάτω από τις ίδιες πειραματικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης . Συχνά αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο SG (ειδικό βάρος ) και, όπως η πυκνότητα, είναι μια χαρακτηριστική ποσότητα ενός υλικού σε μια δεδομένη θερμοκρασία.

Η σχετική πυκνότητα ή το ειδικό βάρος υπολογίζεται διαφορετικά ανάλογα με το αν πρόκειται για συμπυκνωμένη ύλη (στερεά ή υγρά) ή αέρια. Σε κάθε περίπτωση, ένα ειδικό βάρος μικρότερο από 1 σημαίνει ότι η ουσία θα επιπλέει πάνω από την ουσία αναφοράς, ενώ ένα ειδικό βάρος μεγαλύτερο από ένα υποδηλώνει ότι θα βυθιστεί.

Ειδικό βάρος στερεών ή υγρών

Όταν το εν λόγω υλικό είναι στερεό ή υγρό, η πυκνότητα του υγρού νερού λαμβάνεται ως αναφορά, γενικά στη θερμοκρασία στην οποία η πυκνότητά του είναι μέγιστη, η οποία αντιστοιχεί σε 4°C. Σε αυτή τη θερμοκρασία, η πυκνότητα του νερού είναι 1.000 kg/m ³ . Σε αυτή την περίπτωση, το ειδικό βάρος δίνεται από την ακόλουθη έκφραση:

Ειδικό Βάρος Αερίου

Από την άλλη πλευρά, όταν το υλικό του οποίου η σχετική πυκνότητα μετράται ή προσδιορίζεται είναι αέριο, το υλικό αναφοράς δεν είναι νερό αλλά αέρας στις ίδιες δεδομένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Με άλλα λόγια, στην περίπτωση αυτή, το ειδικό βάρος δίνεται από:

Μονάδες Ειδικού Βάρους

Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό του ειδικού βάρους σε σύγκριση με την πυκνότητα είναι το γεγονός ότι, όντας μια ποσότητα που προκύπτει από τη διαίρεση δύο πυκνοτήτων, το ειδικό βάρος δεν έχει μονάδες. Με άλλα λόγια, είναι μια αδιάστατη ποσότητα. Αυτό σημαίνει ότι είναι ένας καθαρός αριθμός του οποίου η τιμή θα είναι πάντα η ίδια για μια δεδομένη ουσία σε μια δεδομένη θερμοκρασία και πίεση, ανεξάρτητα από το σύστημα μονάδων που χρησιμοποιήθηκε για να εκφράσει τις αρχικές πυκνότητες.

Με άλλα λόγια, η σχετική πυκνότητα παρέχει μια κλίμακα μέτρησης για την πυκνότητα που είναι ανεξάρτητη από το σύστημα των μονάδων στο οποίο εκτελούνται όλοι οι άλλοι υπολογισμοί. Αυτό το καθιστά ιδιαίτερα χρήσιμο για την επικοινωνία μεταξύ ομάδων μηχανικών που τείνουν να χρησιμοποιούν συστήματα μονάδων χωρίς SI, με επιστήμονες ή ειδικούς σε άλλους τομείς που τείνουν να χρησιμοποιούν είτε το σύστημα μέτρησης είτε το σύστημα SI.

τύπος κλίμακας

Καθώς είναι η αναλογία μεταξύ της πυκνότητας μιας ουσίας και της πυκνότητας μιας ουσίας αναφοράς, το ειδικό βάρος αντιστοιχεί σε μια σχετική ποσότητα και όχι σε απόλυτη. Με άλλα λόγια, λέγοντας ότι το ειδικό βάρος του υδραργύρου, για παράδειγμα, είναι 13,59, λέμε πραγματικά ότι η πυκνότητά του είναι 13,59 φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα του νερού. Σημειώστε ότι είναι μια πυκνότητα σε σχέση με την πυκνότητα του νερού, οπότε χωρίς να γνωρίζουμε το τελευταίο, δεν μπορούμε να γνωρίζουμε την πραγματική πυκνότητα του υδραργύρου.

Τιμές πυκνότητας αναφοράς

Όπως φαίνεται, ο υπολογισμός του ειδικού βάρους εξαρτάται από την πυκνότητα του υλικού αναφοράς, και αυτό, με τη σειρά του, εξαρτάται από τις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης στις οποίες μετράται ή υπολογίζεται το ειδικό βάρος. Στην περίπτωση στερεών και υγρών, όποτε δεν υποδεικνύεται μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, θεωρείται ότι το εν λόγω SG καθορίζεται με βάση την πυκνότητα του νερού στους 4°C. Στην περίπτωση των αερίων, εάν οι συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης δεν καθορίζονται, η πυκνότητα θεωρείται υπό κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, ή NTP, που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 20 °C και πίεση 1 atm, οπότε στην περίπτωση αυτή Στην περίπτωση αυτή, ο αέρας (ξηρός) έχει πυκνότητα 1.204 kg/m ³ .

Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει αυτές τις τιμές αναφοράς σε διαφορετικές μονάδες:

Εξάρτηση ειδικού βάρους με τη θερμοκρασία

Όντας συνάρτηση δύο πυκνοτήτων, οι οποίες ποικίλλουν ανάλογα με τη θερμοκρασία, η σχετική πυκνότητα ή το ειδικό βάρος ποικίλλει επίσης ως συνάρτηση της εν λόγω ιδιότητας.

Ωστόσο, γενικά η διακύμανση είναι μικρότερη από τη διακύμανση της απόλυτης πυκνότητας. Αυτό συμβαίνει επειδή, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η πυκνότητα των περισσότερων ουσιών μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, και αυτό περιλαμβάνει το νερό για τις περισσότερες θερμοκρασίες που δεν είναι μεταξύ 0 και 8 °C. Στη συνέχεια, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, τόσο η πυκνότητα του εν λόγω υλικού όσο και αυτή του υλικού αναφοράς μειώνονται. Αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή στον αριθμητή αντισταθμίζει εν μέρει την αλλαγή στον παρονομαστή, μειώνοντας την επίδραση της θερμοκρασίας στο ειδικό βάρος.

Όργανο μέτρησης

Το ειδικό βάρος μετράται πειραματικά χρησιμοποιώντας ένα όργανο που ονομάζεται υδρόμετρο. Αυτό αποτελείται από έναν βαρύ βολβό εφοδιασμένο με ένα στέλεχος που έχει μια κλίμακα βαθμονομημένη σύμφωνα με την ουσία αναφοράς, στις περισσότερες περιπτώσεις νερό. Όταν ο λαμπτήρας τοποθετηθεί σε ένα υγρό, θα βυθιστεί έως ότου η άνωση εξουδετερώσει το βάρος του υδρόμετρου. Η ανάγνωση γίνεται στην κλίμακα στο σημείο που εξέχει από την επιφάνεια του υγρού.

Χρήσεις ειδικού βάρους

Μια άμεση χρησιμότητα του ειδικού βάρους είναι ότι η τιμή του υποδεικνύει αμέσως εάν το υλικό θα επιπλέει ή όχι στο νερό ή στον αέρα, ανάλογα με το αν είναι στερεό και υγρό ή αέρια, αντίστοιχα. Σε κάθε περίπτωση, εάν η σχετική πυκνότητα είναι μικρότερη από τη μονάδα, το υλικό θα είναι λιγότερο πυκνό και θα επιπλέει, και το αντίστροφο.

Μια άλλη πολύ κοινή εφαρμογή του SG είναι η σχέση του με τη συγκέντρωση των διαλυμάτων. Ανάλογα με τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαλυμένης ουσίας και διαλύτη, η πυκνότητα ενός διαλύματος μπορεί να είναι διαφορετική από εκείνη του καθαρού νερού και, γενικά, αυτή η πυκνότητα ποικίλλει ανάλογα με τη συγκέντρωση. Έτσι, η μέτρηση του SG με τη χρήση υδρόμετρου καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης διαφορετικών διαλυμάτων.

Μερικά παραδείγματα χρήσης του SG για το σκοπό αυτό είναι:

• Αξιολόγηση καυσίμου.
• Ο προσδιορισμός της περιεκτικότητας σε αλκοόλ κατά τη ζύμωση γλευκών για την παραγωγή μπύρας, κρασιών και άλλων αλκοολούχων ποτών.
• Η αξιολόγηση της συγκέντρωσης θειικού οξέος σε μπαταρίες ή συσσωρευτές μολύβδου/θειικού οξέος που χρησιμοποιούνται συνήθως σε βενζινοκίνητα αυτοκίνητα κ.λπ.

Πώς να προσδιορίσετε την πυκνότητα από το ειδικό βάρος

Το ειδικό βάρος μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε απόλυτη πυκνότητα πολλαπλασιάζοντας απλώς το πρώτο με την πυκνότητα της ουσίας αναφοράς στις απαιτούμενες μονάδες:

Ή, στην περίπτωση των αερίων:

Και στις δύο περιπτώσεις, συνήθως διατίθενται πολύ ακριβείς πίνακες πυκνότητας σε μεγάλη ποικιλία τιμών πίεσης και θερμοκρασίας.

Περίληψη των διαφορών μεταξύ πυκνότητας και ειδικού βάρους

Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει τις πιο σημαντικές διαφορές μεταξύ πυκνότητας και ειδικού βάρους:

βιβλιογραφικές αναφορές

πυκνότητα vs. Ειδικό Βάρος και Ειδικό Βάρος . (ν). The Engineering Toolbox. https://www.engineeringtoolbox.com/density-specific-weight-gravity-d_290.html

Διαφορά μεταξύ πυκνότητας και ειδικού βάρους . (2019, 5 Ιουνίου). Διαφορικός. https://diferenciario.com/densidad-y-gravedad-especifica/

Διαφορά μεταξύ πυκνότητας και ειδικού βάρους . (2021, 22 Μαρτίου). BYJUS. https://byjus.com/physics/difference-between-density-and-specific-gravity/

Giner, S. (2020, 18 Αυγούστου). Υδρόμετρο ή υδρόμετρο . 2D2Dfoam. https://www.2d2dspuma.com/blog/que-es/hidrometro/

Libretexts. (2020, 13 Αυγούστου). 1.14: Πυκνότητα και ειδικό βάρος . LibreTexts Χημείας. https://chem.libretexts.org/Courses/Saint_Francis_University/CHEM_113%3A_Human_Chemistry_I_(Muino)/01%3A_Matter_and_Measurements/1.14%3A_Density_and_Specific_Gravity

Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής. (2021). Ποια είναι η διαφορά μεταξύ πυκνότητας και ειδικού βάρους; Ιστότοπος NPL. https://www.npl.co.uk/resources/qa/density-specific-gravity-differences