Относительная плотность и удельный вес веществ

Введение

Отношение двух плотностей

Относительная плотность, также называемая удельной массой, является безразмерной величиной, определяемой как отношение плотности (массы единицы объема) вещества к плотности данного эталонного материала. Удельная масса для жидкостей почти всегда измеряется относительно воды при ее наибольшей плотности (при 4 °C); для газов эталон – воздух при комнатной температуре. В системе СИ предпочтителен термин "относительная плотность" (сокращенно r. d. или RD), в то время как термин "удельная масса" постепенно выходит из употребления. Если относительная плотность вещества меньше 1, то оно менее плотное, чем эталонное; если больше 1, то оно более плотное, чем эталонное. 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 будет тонуть. Температура и давление должны быть указаны как для образца, так и для эталонного материала. Давление почти всегда составляет 1 атм (101,325 кПа). Если это не так, то чаще всего указывается плотность напрямую. Температуры для образца и эталонного материала варьируются в зависимости от отрасли. В британской пивоваренной практике удельный вес, как указано выше, умножается на 1000, в результате чего значение SG (20 °C/4 °C) для воды составляет 0,998232. Поскольку основное применение измерений удельного веса в промышленности – определение концентрации веществ в водных растворах, а эти данные представлены в таблицах зависимости SG от концентрации, крайне важно, чтобы аналитик использовал таблицу с правильной формой удельного веса. Например, в пивоваренной промышленности таблица Плато содержит данные о концентрации сахарозы по массе в зависимости от истинной удельной массы и изначально была рассчитана (20 °C/4 °C), то есть основывалась на измерениях плотности растворов сахарозы, выполненных при лабораторной температуре (20 °C), но приводилась к плотности воды при 4 °C, которая очень близка к температуре, при которой вода имеет максимальную плотность, ρH2O, равную 999,972 кг/м³ в единицах СИ (0,999972 в единицах СГС или 62,43 фунта/фут³ в американских единицах). Таблица ASBC, используемая сегодня в Северной Америке для измерения кажущейся удельной массы при (20 °C/20 °C), получена из оригинальной таблицы Плато с использованием значения, предложенного Плато и другими для SG (20 °C/4 °C) = 0,9982343. В сахарной, безалкогольной, медовой, фруктовой и смежных отраслях промышленности концентрация сахарозы по массе берется из таблицы, составленной А. Брикс, которая использует SG (17,5 °C/17,5 °C). В качестве последнего примера, британские единицы SG основаны на температуре образца и эталонного материала 60 °F и, следовательно, (15,56 °C/15,56 °C). Зная относительную плотность вещества, его фактическую плотность можно вычислить, преобразовав вышеуказанную формулу:

Relative density, also called specific gravity, is a dimensionless quantity defined as the ratio of the density (mass of a unit volume) of a substance to the density of a given reference material. Specific gravity for liquids is nearly always measured with respect to water at its densest (at ); for gases, the reference is air at room temperature The term "relative density" (abbreviated r. d. or RD) is preferred in SI, whereas the term "specific gravity" is gradually being abandoned. If a substance's relative density is less than 1 then it is less dense than the reference; if greater than 1 then it is denser than the reference. If the relative density is exactly 1 then the densities are equal; that is, equal volumes of the two substances have the same mass. If the reference material is water, then a substance with a relative density (or specific gravity) less than 1 will float in water. For example, an ice cube, with a relative density of about 0.91, will float. A substance with a relative density greater than 1 will sink. Temperature and pressure must be specified for both the sample and the reference. Pressure is nearly always 1 atm (101.325 kPa). Where it is not, it is more usual to specify the density directly. Temperatures for both sample and reference vary from industry to industry. In British brewing practice, the specific gravity, as specified above, is multiplied by 1000., resulting in an SG (20 °C/4 °C) value for water of 0.998232. As the principal use of specific gravity measurements in industry is determination of the concentrations of substances in aqueous solutions and as these are found in tables of SG versus concentration, it is extremely important that the analyst enter the table with the correct form of specific gravity. For example, in the brewing industry, the Plato table lists sucrose concentration by weight against true SG, and was originally (20 °C/4 °C) i. e. based on measurements of the density of sucrose solutions made at laboratory temperature (20 °C) but referenced to the density of water at 4 °C which is very close to the temperature at which water has its maximum density, ρH2O equal to 999.972 kg/m3 in SI units (0.999972 in cgs units or 62.43 lb/cu ft in United States customary units). The ASBC table in use today in North America for apparent specific gravity measurements at (20 °C/20 °C) is derived from the original Plato table using Plato et al.‘s value for SG(20 °C/4 °C) = 0.9982343. In the sugar, soft drink, honey, fruit juice and related industries, sucrose concentration by weight is taken from a table prepared by A. Brix, which uses SG (17.5 °C/17.5 °C). As a final example, the British SG units are based on reference and sample temperatures of 60 °F and are thus (15.56 °C/15.56 °C). Given the specific gravity of a substance, its actual density can be calculated by rearranging the above formula:

Иногда в качестве эталонного вещества указывается вещество, отличное от воды (например, воздух), в этом случае удельная масса означает плотность относительно этого эталона.

Цифровые плотносчетчики

Гидростатические приборы на основе давления: Эта технология основана на принципе Паскаля, который гласит, что разница давлений между двумя точками в вертикальном столбе жидкости зависит от вертикального расстояния между этими точками, плотности жидкости и силы тяжести. Эта технология часто используется для измерения уровня в резервуарах как удобный способ измерения уровня и плотности жидкости. Передатчики вибрирующих элементов: Этот тип прибора требует контакта вибрирующего элемента с исследуемой жидкостью. Измеряется резонансная частота элемента, которая связана с плотностью жидкости посредством характеристики, зависящей от конструкции элемента. В современных лабораториях точные измерения относительной плотности проводятся с помощью осциллирующих U-образных манометров. Они способны измерять с точностью до 5–6 знаков после запятой и используются в пивоваренной, дистилляционной, фармацевтической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности. Приборы измеряют фактическую массу жидкости, содержащейся в фиксированном объеме при температурах от 0 до 80 °C, но благодаря микропроцессорной основе могут вычислять кажущуюся или истинную относительную плотность и содержат таблицы, связывающие эти значения с концентрацией обычных кислот, сахарных растворов и т. п. Ультразвуковой преобразователь: Ультразвуковые волны проходят от источника через исследуемую жидкость к детектору, который измеряет акустический спектр волн. Свойства жидкости, такие как плотность и вязкость, могут быть определены по этому спектру. Измеритель на основе излучения: Излучение проходит от источника через исследуемую жидкость и попадает в сцинтилляционный детектор или счетчик. С увеличением плотности жидкости количество детектируемого излучения уменьшается. В качестве источника обычно используется радиоактивный изотоп цезий-137 с периодом полураспада около 30 лет. Ключевым преимуществом этой технологии является то, что прибор не требует контакта с жидкостью — обычно источник и детектор устанавливаются снаружи резервуаров или трубопроводов. Передатчик силы плавучести: Сила плавучести, создаваемая плавающим телом в однородной жидкости, равна весу вытесненной им жидкости. Поскольку сила плавучести линейно зависит от плотности жидкости, в которую погружено плавающее тело, измерение силы плавучести позволяет определить плотность жидкости. Один из коммерчески доступных приборов заявляет о возможности измерения относительной плотности с точностью ± 0,005 единиц RD. Погружной зонд содержит математически описанную систему пружинного плавания. При вертикальном погружении зонда в жидкость плавающее тело перемещается вертикально, а его положение контролирует положение постоянного магнита, смещение которого фиксируется концентрическим массивом датчиков линейного смещения на эффекте Холла. Выходные сигналы датчиков смешиваются в специальном электронном модуле, который выдает единое выходное напряжение, величина которого линейно пропорциональна измеряемой величине.

Hydrostatic Pressure based Instruments: This technology relies upon Pascal's Principle which states that the pressure difference between two points within a vertical column of fluid is dependent upon the vertical distance between the two points, the density of the fluid and the gravitational force. This technology is often used for tank gauging applications as a convenient means of liquid level and density measure. Vibrating Element Transducers: This type of instrument requires a vibrating element to be placed in contact with the fluid of interest. The resonant frequency of the element is measured and is related to the density of the fluid by a characterization that is dependent upon the design of the element. In modern laboratories precise measurements of relative density are made using oscillating U tube meters. These are capable of measurement to 5 to 6 places beyond the decimal point and are used in the brewing, distilling, pharmaceutical, petroleum and other industries. The instruments measure the actual mass of fluid contained in a fixed volume at temperatures between 0 and 80 °C but as they are microprocessor based can calculate apparent or true relative density and contain tables relating these to the strengths of common acids, sugar solutions, etc. Ultrasonic Transducer: Ultrasonic waves are passed from a source, through the fluid of interest, and into a detector which measures the acoustic spectroscopy of the waves. Fluid properties such as density and viscosity can be inferred from the spectrum. Radiation based Gauge: Radiation is passed from a source, through the fluid of interest, and into a scintillation detector, or counter. As the fluid density increases, the detected radiation "counts" will decrease. The source is typically the radioactive isotope caesium 137, with a half life of about 30 years. A key advantage for this technology is that the instrument is not required to be in contact with the fluid—typically the source and detector are mounted on the outside of tanks or piping. Buoyant Force Transducer: the buoyancy force produced by a float in a homogeneous liquid is equal to the weight of the liquid that is displaced by the float. Since buoyancy force is linear with respect to the density of the liquid within which the float is submerged, the measure of the buoyancy force yields a measure of the density of the liquid. One commercially available unit claims the instrument is capable of measuring relative density with an accuracy of ± 0.005 RD units. The submersible probe head contains a mathematically characterized spring float system. When the head is immersed vertically in the liquid, the float moves vertically and the position of the float controls the position of a permanent magnet whose displacement is sensed by a concentric array of Hall effect linear displacement sensors. The output signals of the sensors are mixed in a dedicated electronics module that provides a single output voltage whose magnitude is a direct linear measure of the quantity to be measured.

Относительная плотность в механике почвы

Относительная плотность – это мера текущего коэффициента пористости по отношению к максимальному и минимальному коэффициентам пористости, а приложенное эффективное напряжение контролирует механическое поведение несвязного грунта. Относительная плотность определяется по формуле:
где , и – максимальный, минимальный и фактический коэффициенты пористости.