Кіріспе
Массасы көлем бірлігіне шаққандағы масса тығыздығы. Тығыздық (көлемдік масса тығыздығы немесе меншікті масса) – заттың көлем бірлігіне шаққандағы массасы. Тығыздықты белгілеу үшін көбінесе ρ (грек әрпінің кіші rho) символы қолданылады, бірақ латын әрпі D де қолданылуы мүмкін. Математикалық тұрғыдан, тығыздық массаны көлемге бөлу арқылы анықталады:
mass density
Density (volumetric mass density or specific mass) is a substance's mass per unit of volume. The symbol most often used for density is ρ (the lower case Greek letter rho), although the Latin letter D can also be used. Mathematically, density is defined as mass divided by volume:
where ρ is the density, m is the mass, and V is the volume. In some cases (for instance, in the United States oil and gas industry), density is loosely defined as its weight per unit volume, although this is scientifically inaccurate this quantity is more specifically called specific weight. For a pure substance the density has the same numerical value as its mass concentration. Different materials usually have different densities, and density may be relevant to buoyancy, purity and packaging. Osmium is the densest known element at standard conditions for temperature and pressure. To simplify comparisons of density across different systems of units, it is sometimes replaced by the dimensionless quantity "relative density" or "specific gravity", i. e. the ratio of the density of the material to that of a standard material, usually water. Thus a relative density less than one relative to water means that the substance floats in water. The density of a material varies with temperature and pressure. This variation is typically small for solids and liquids but much greater for gases. Increasing the pressure on an object decreases the volume of the object and thus increases its density. Increasing the temperature of a substance (with a few exceptions) decreases its density by increasing its volume. In most materials, heating the bottom of a fluid results in convection of the heat from the bottom to the top, due to the decrease in the density of the heated fluid, which causes it to rise relative to denser unheated material. The reciprocal of the density of a substance is occasionally called its specific volume, a term sometimes used in thermodynamics. Density is an intensive property in that increasing the amount of a substance does not increase its density; rather it increases its mass. Other conceptually comparable quantities or ratios include specific density, relative density (specific gravity), and specific weight.
мұнда ρ – тығыздық, m – масса, V – көлем. Кейбір жағдайларда (мысалы, АҚШ мұнай және газ өнеркәсібінде) тығыздық көлем бірлігіне шаққандағы салмағы ретінде шартты түрде анықталады, бірақ бұл ғылыми тұрғыдан дұрыс емес, бұл шама нақты салмақ деп аталады. Таза зат үшін тығыздықтың сандық мәні оның массалық концентрациясына тең болады. Әртүрлі материалдардың тығыздығы әдетте әртүрлі болады және тығыздық жүзу қабілетіне, тазалығына және қаптамаға қатысты болуы мүмкін. Осмий – температура мен қысымның стандартты жағдайларындағы ең тығыз элемент. Тығыздықты әртүрлі өлшем бірліктерінде салыстыруды жеңілдету үшін кейде оны өлшемсіз шамамен – «нақты тығыздық» немесе «салыстырмалы салмақ» деп алмастырады, яғни материалдың тығыздығының стандартты материалға (әдетте суға) қатынасы. Суға қатысты бірден кем тығыздық заттың суда жүзуін білдіреді. Материалдың тығыздығы температура мен қысымға байланысты өзгереді. Бұл өзгеріс қатты және сұйық заттар үшін көбінесе аз, бірақ газдар үшін айтарлықтай үлкен. Затқа қысымды арттыру оның көлемін азайтады, демек тығыздығын арттырады. Заттың температурасын көтеру (кейбір ерекше жағдайларды қоспағанда) оның көлемін ұлғайту арқылы тығыздығын төмендетеді. Көптеген материалдарда сұйықтықтың төменгі бөлігін қыздыру, қыздырылған сұйықтықтың тығыздығы төмендегендіктен, оның жоғары көтерілуіне және конвекцияға әкеледі. Заттың тығыздығының кері шамасы кейде оның нақты көлемі деп аталады, бұл термин термодинамикада қолданылады. Тығыздық – заттың мөлшерін арттыру оның тығыздығын арттырмайтын, керісінше массасын арттыратын интенсивті қасиет. Басқа ұқсас шамалар мен қатынастарға өзіне тән тығыздық, салыстырмалы тығыздық (салыстырмалы ауырлық) және нақты салмақ жатады.
mass density
Density (volumetric mass density or specific mass) is a substance's mass per unit of volume. The symbol most often used for density is ρ (the lower case Greek letter rho), although the Latin letter D can also be used. Mathematically, density is defined as mass divided by volume:
where ρ is the density, m is the mass, and V is the volume. In some cases (for instance, in the United States oil and gas industry), density is loosely defined as its weight per unit volume, although this is scientifically inaccurate this quantity is more specifically called specific weight. For a pure substance the density has the same numerical value as its mass concentration. Different materials usually have different densities, and density may be relevant to buoyancy, purity and packaging. Osmium is the densest known element at standard conditions for temperature and pressure. To simplify comparisons of density across different systems of units, it is sometimes replaced by the dimensionless quantity "relative density" or "specific gravity", i. e. the ratio of the density of the material to that of a standard material, usually water. Thus a relative density less than one relative to water means that the substance floats in water. The density of a material varies with temperature and pressure. This variation is typically small for solids and liquids but much greater for gases. Increasing the pressure on an object decreases the volume of the object and thus increases its density. Increasing the temperature of a substance (with a few exceptions) decreases its density by increasing its volume. In most materials, heating the bottom of a fluid results in convection of the heat from the bottom to the top, due to the decrease in the density of the heated fluid, which causes it to rise relative to denser unheated material. The reciprocal of the density of a substance is occasionally called its specific volume, a term sometimes used in thermodynamics. Density is an intensive property in that increasing the amount of a substance does not increase its density; rather it increases its mass. Other conceptually comparable quantities or ratios include specific density, relative density (specific gravity), and specific weight.
Тығыздық, жүзу және бату
Әр түрлі материалдардың тығыздығы әртүрлі екендігі және тығыздық, жүзу және бату арасындағы байланыс туралы түсінік тарихқа дейінгі заманға дейін жетеді. Кейінірек бұл жазбада қалдырылды. Мысалы, Аристотель былай жазды: text=Тұзды және тұщы судың тығыздығы соншалықты ерекше, бірдей салмақтағы кемелер өзендерде көтерілмейді, бірақ теңізде оңай жүзеді және теңізге лайықты. Осыны білмеу кейде өзенге кемелерін тиеушілерге қымбатқа түседі. Сұйыққа зат қосылғанда оның тығыздығы артатынының дәлелі осы. Егер суға тұз қосып, оны тұзды қылсаңыз, жұмыртқалар оның үстінде жүзеді. Палестинадағы көл туралы айтылатын әңгімелерде шындық болса, бұл менің айтқанымды одан әрі растайды. Олар адам немесе жануарды байлап суға тастаса, ол батпай, жүзіп кетеді дейді. |author=Аристотель|title=Метеорология|source=II кітап, III тарау
text=There is so great a difference in density between salt and fresh water that vessels laden with cargoes of the same weight almost sink in rivers, but ride quite easily at sea and are quite seaworthy. And an ignorance of this has sometimes cost people dear who load their ships in rivers. The following is a proof that the density of a fluid is greater when a substance is mixed with it. If you make water very salt by mixing salt in with it, eggs will float on it. If there were any truth in the stories they tell about the lake in Palestine it would further bear out what I say. For they say if you bind a man or beast and throw him into it he floats and does not sink beneath the surface.|author=Aristotle|title=Meteorologica|source=Book II, Chapter III
Өлшем
Материалдардың тығыздығын өлшеу үшін бірқатар техникалар мен стандарттар бар. Осындай техникаларға гидрометрдің (сұйықтар үшін жүзу әдісі), гидростатикалық тепе-теңдіктің (сұйықтар мен қатты заттар үшін жүзу әдісі), суға батырылған дене әдісінің (сұйықтар үшін жүзу әдісі), пикнометрдің (сұйықтар мен қатты заттар), ауамен салыстыру пикнометрінің (қатты заттар), тербелісті тығыздық өлшегіштің (сұйықтар), сондай-ақ құю және соғу (қатты заттар) әдістері жатады. Дегенмен, әрбір жекелеген әдіс немесе техника тығыздықтың әртүрлі түрлерін өлшейді (мысалы, көлемдік тығыздық, қаңқа тығыздығы және т.б.), сондықтан өлшенетін тығыздық түрін және қарастырылып отырған материалдың түрін түсіну қажет.
Біртекті материалдар
Біртекті дененің кез келген нүктесіндегі тығыздық, оның жалпы массасының жалпы көлеміне бөлінуіне тең. Масса әдетте таразы немесе салмақпен өлшенеді; көлем тікелей (дененің геометриясы бойынша) немесе сұйықтықты ығыстыру арқылы өлшенеді. Сұйық немесе газдың тығыздығын анықтау үшін тиісінше гидрометр, дасиметр немесе Кориолис ағын өлкіші қолданылуы мүмкін. Сол сияқты, гидростатикалық өлшеу суға батырылған дененің суды ығыстыруын пайдаланып дененің тығыздығын анықтайды.
Гетерогенді материалдар
Егер дене біртекті болмаса, оның тығыздығы нысанның әртүрлі аймақтарында өзгереді. Мұндай жағдайда, кез келген нүктенің айналасындағы тығыздық сол нүктенің айналасындағы кішкентай көлемнің тығыздығын есептеу арқылы анықталады. Көлем нөлге жақындағанда, біртекті емес нысанның бір нүктедегі тығыздығы: , мұндағы – нүктенің координатасындағы элементарлық көлем. Дененің массасы келесідей өрнектеледі:
Жігітсіз материалдар
Іс жүзінде қант, құм немесе қар сияқты көлемді материалдарда бос кеңістіктер кездеседі. Көптеген материалдар табиғатта қабыршақтар, гранулалар немесе түйіршіктер түрінде болады. Бос кеңістіктер – қарастырылып отырған материалдан өзге заттармен толған аймақтар. Көбінесе бос кеңістік ауамен толған, бірақ ол вакуум, сұйық, қатты зат немесе басқа газ немесе газдар қоспасы болуы мүмкін. Материалдың жалпы көлемі (бос кеңістік үлесін қоса алғанда) көбінесе қарапайым өлшеу арқылы (мысалы, калибрленген өлшеуіш стақанмен) немесе белгілі өлшемдерінен геометриялық есептеулер арқылы анықталады. Массаны көлемге бөлгенде көлемдік тығыздық шығады. Бұл материалдың нақты көлемдік тығыздығымен бірдей емес. Материалдың нақты көлемдік тығыздығын анықтау үшін, ең алдымен бос кеңістік үлесінің көлемін ескеріп алып тастау керек. Кейде бұл геометриялық тұрғыдан есептеу арқылы анықталады. Бірдей шарларды тығыз орналастырғанда, бос емес үлес ең көп дегенде 74% құрай алады. Оны тәжірибелік жолмен да анықтауға болады. Дегенмен, кейбір көлемді материалдардың, мысалы құмның, бос кеңістік үлесі материалды араластыру немесе құю әдісіне байланысты өзгеріп отырады. Ол қолдануға байланысты көбірек немесе аз ауа кеңістігіне ие болуы мүмкін. Іс жүзінде, бос кеңістік міндетті түрде ауа немесе тіпті газ болуы керек емес. Мысалы, құмда ол су болуы мүмкін, бұл өлшеу үшін тиімді болуы мүмкін, себебі суға тоңған құмның бос кеңістік үлесі, ауа көпіршіктері мұқият кетірілгеннен кейін, ауа кеңістігімен өлшенген құрғақ құмға қарағанда тұрақтырақ болады. Қаты емес материалдар үшін материал үлгісінің массасын анықтағанда да сақтық тану керек. Егер материал қысым астында болса (әдетте жер бетіндегі атмосфералық ауа қысымы), өлшенген үлгі салмағынан массаны анықтау кезінде, өлшеу қалай жүргізілгеніне байланысты, бос құрамдас бөліктің тығыздығына байланысты, иілім әсерін ескеру қажет болуы мүмкін. Құрғақ құм үшін құм ауадан әлдеқайда тығыз болғандықтан, иілім әсері көбінесе ескерілмейді (мыңнан бір бөліктен кем). Бір бос материалды екіншісімен ауыстырғанда, көлемді тұрақты ұстап, массаның өзгеруін бос кеңістік үлесін бағалау үшін пайдалануға болады, егер екі бос материалдың тығыздық айырмасы сенімді түрде белгілі болса.
Су
+ Сұйық судың 1 атм қысымдағы тығыздығы Температура (°C) Тығыздық (кг/м³) −30 983,854 −20 993,547 −10 998,117 0 999,8395 4 999,9720 10 999,7026 15 999,1026 20 998,2071 22 997,7735 25 997,0479 30 995,6502 40 992,2 60 983,2 80 971,8 100 958,4 Ескертулер:
Ауа
+Ауа тығыздығы 1 атмосфералық қысымда Т (°С) ρ (кг/м3) −25 1.423 −20 1.395 −15 1.368 −10 1.342 −5 1.316 0 1.293 5 1.269 10 1.247 15 1.225 20 1.204 25 1.184 30 1.164 35 1.146