Densitet beskriver förhållandet mellan massa och volym av ett föremål eller ämne. Mass mäter motståndet hos ett material att accelerera när en kraft verkar på det. Enligt Newtons andra rörelselag (F = ma), är nettokraften som verkar på ett föremål lika med produkten av dess massa gånger acceleration.
Denna formella definition av massa låter dig sätta den i andra sammanhang som att beräkna energi , rörelsemängd, centripetalkraft och gravitationskraft. Eftersom gravitationen är mycket nästan densamma över jordens yta, blir vikten en bra indikator på massan. Att öka och minska mängden uppmätt material ökar och minskar ämnets massa.
Tips
Ett föremåls densitet är förhållandet mellan massa och volym av ett föremål. Massan är hur mycket den motstår acceleration när en kraft appliceras på den och betyder i allmänhet hur mycket av ett föremål eller ämne som finns. Volymen beskriver hur mycket utrymme ett föremål tar upp. Dessa kvantiteter kan användas för att bestämma tryck, temperatur och andra egenskaper hos gaser, fasta ämnen och vätskor.
Det finns ett tydligt samband mellan massa, densitet och volym. Till skillnad från massa och volym ökar eller minskar inte densiteten att öka mängden uppmätt material. Med andra ord, en ökning av mängden sötvatten från 10 gram till 100 gram kommer också att ändra volymen från 10 milliliter till 100 milliliter, men densiteten förblir 1 gram per milliliter (100 g ÷ 100 ml = 1 g/mL).
Detta gör densitet till en användbar egenskap för att identifiera många ämnen. Men eftersom volymen avviker med förändringar i temperatur och tryck, kan densiteten också ändras med temperatur och tryck.
Mätvolym
För en given massa och volym, hur mycket fysiskt utrymme ett material tar upp, av ett föremål eller ämne, kvarstår densiteten konstant vid en given temperatur och tryck. Ekvationen för detta förhållande är >rho = frac{m}{V} där ρ (rho) är densitet, m är massa och V är volym, vilket gör densitetsenheten kg/m3. Den reciproka densiteten (1/ρ) är känd som den specifika volymen , mätt i m3/kg.
Volymen beskriver hur mycket utrymme ett ämne upptar och ges i liter (SI) eller gallons (engelska). Volymen av ett ämne bestäms av hur mycket material som finns och hur tätt materialets partiklar är packade.
Som ett resultat kan temperatur och tryck i hög grad påverka volymen av ett ämne, särskilt gaser. Precis som med massa, ökar och minskar mängden material också volymen av ämnet genom att öka och minska mängden material.
Förhållandet mellan tryck, volym och temperatur
För gaser är volymen alltid lika med behållaren som gasen är inuti. Detta innebär att för gaser kan du relatera volymen till temperatur, tryck och densitet med hjälp av den ideala gaslagen PV=nRT där P är tryck i atm ( atmosfäriska enheter), V är volym i m3 (kubbar meter), n är antalet mol av gasen, R är den universella gaskonstanten (R = 8,314 J/(mol x K)) och T är temperaturen på gasen i Kelvin.
Ytterligare tre lagar beskriver sambanden mellan volym, tryck och temperatur när de ändras när alla andra storheter hålls konstanta. Ekvationerna är kända som Boyle’s Law, Gay-Lussac’s Law respektive Charles’s Law.
I varje lag beskriver de vänstra variablerna volym, tryck och temperatur vid en initial tidpunkt medan de högra variablerna beskriver dem vid en annan senare tidpunkt. Temperaturen är konstant för Boyle’s Law, volymen är konstant för Gay-Lussac’s Law och trycket är konstant för Charles’s Law.
Dessa tre lagar följer samma principer för den ideala gaslagen, men beskriver förändringarna i sammanhang av antingen temperatur, tryck eller volym som hålls konstant.
Meningen av mässan
Även om människor i allmänhet använder massa för att hänvisa till hur mycket av ett ämne som finns eller hur tungt ett ämne är, men de olika sätten som människor hänvisar till massor av olika vetenskapliga fenomen innebär att massa behöver en mer enhetlig definition som omfattar alla dess användningsområden.
Forskare talar vanligtvis om subatomära partiklar, såsom elektroner, bosoner eller fotoner, som har en mycket liten mängd massa. Men massorna av dessa partiklar är faktiskt bara energi. Medan massan av protoner och neutroner lagras i gluoner (materialet som håller ihop protoner och neutroner), är massan av en elektron mycket mer försumbar med tanke på att elektroner är cirka 2 000 gånger lättare än protoner och neutroner.
Gluoner står för den starka kärnkraften, en av universums fyra grundläggande krafter tillsammans med elektromagnetisk kraft, gravitationskraft och den svaga kärnkraften, för att hålla neutroner och protoner bundna tillsammans.
Universums massa och densitet
Även om storleken på hela universum inte är exakt känd, har det observerbara universum, den materia i universum som forskare har studerat, en massa på cirka 2 x 1055 g, cirka 25 miljarder galaxer lika stora som Vintergatan. Detta sträcker sig över 14 miljarder ljusår inklusive mörk materia, materia som forskare inte är helt säkra på vad den är gjord av och lysande materia, vad som står för stjärnor och galaxer. Universums densitet är cirka 3 x 10
-30g /cm3.
Forskare kommer med dessa uppskattningar av observera förändringar i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (artefakter av elektromagnetisk strålning från primitiva stadier av universum), superkluster (kluster av galaxer) och Big Bang-nukleosyntes (produktion av icke-vätekärnor under universums tidiga stadier).
Mörk materia och mörk energi
Forskare studerar dessa egenskaper hos universum för att avgöra dess öde, om det kommer att fortsätta att expandera eller någon gång kollapsa i sig själv. När universum fortsätter att expandera, brukade forskare tro att gravitationskrafter ger objekt en attraktionskraft mellan varandra för att bromsa expansionen.
Men 1998 visade Hubble Space Telescope-observationer av avlägsna supernovor att universum var universums expansion har ökat med tiden. Även om forskare inte hade räknat ut exakt vad som orsakade accelerationen, fick denna expansionsacceleration forskare att teoretisera att mörk energi, namnet på detta okända fenomen, skulle förklara detta.
Det finns fortfarande många mysterier om massan i universum , och de står för det mesta av universums massa. Cirka 70 % av massenergin i universum kommer från mörk energi och cirka 25 % från mörk materia. Endast cirka 5 % kommer från vanlig materia. Dessa detaljerade bilder av olika typer av massor i universum visar hur varierad massa kan vara i olika vetenskapliga sammanhang.
Flytkraft och specifik vikt
Gravitationskraften hos ett föremål i vatten och flytkraften som håller den uppåt avgör om ett föremål flyter eller sjunker. Om föremålets flytkraft eller densitet är större än vätskans, flyter det och, om inte, sjunker det.
Stålets densitet är mycket högre än vattentätheten men den är formad på lämpligt sätt, densiteten kan minskas med luftutrymmen, vilket skapar stålfartyg. Att vattnets densitet är större än isens densitet förklarar också varför is flyter i vatten.
Specifik gravitation är densiteten för ett ämne dividerat med referensämnets densitet. Denna referens är antingen luft utan vatten för gaser eller färskvatten för vätskor och fasta ämnen.
