Перевод массы в объем через плотность

Как перевести объем в массу и наоборот

Объем и масса — две физические величины, которые присущи всем телам, находящимся в жидком, твердом и газообразном состояниях. Одной из частых задач в физике является перевод объема тела в его массу. Как перевести объем в массу, подробно описано в этой статье.

Объем тел

Прежде чем рассмотреть вопрос о том, как перевести объем в массу, следует разобраться с физическими понятиями.

Объем представляет собой область пространства, которую занимает тело во всех трех измерениях. Это означает, что если тело имеет определенные размеры только в одном (линия) или только в двух измерениях (плоскость), то его объем равен нулю. Объем является скалярной величиной, поэтому складывать и вычитать объемы следует таким образом, как это делается именно для скалярных (не векторных) величин.

Если говорить о природе существования объема с физической точки зрения, то следует отметить, что этот феномен обязан своему существованию так называемому принципу запрета Паули, согласно которому расположение двух частиц в одинаковом квантовом состоянии невозможно.

В Международной системе единиц СИ объем принято измерять в кубических метрах (м 3 ), однако в ряде случаев используют другие единицы измерения, например кубические сантиметры, километры и т. д. Объем жидкостей часто измеряют в литрах (л): 1 л = 10 -3 м 3 = 1 дм 3 .

Понятие о массе

До рассмотрения вопроса о том, как перевести объем в массу, следует познакомиться также с массой тела.

Масса как физическая величина представляет собой количество вещества или материи и определяет инерционные свойства тел, то есть их способность приобретать ускорение, когда на них действует некоторая не нулевая внешняя сила. Масса, как и объем, является скалярной величиной и присуща любому объекту во Вселенной. Измеряется масса в СИ в килограммах. Один килограмм — это такая масса тела, при которой это тело приобретает ускорение в 1 м/с 2 при действии на него силы в 1 ньютон.

Часто массу путают с весом тела. Последний представляет собой силу, с которой тело давит на опору. Зная эту силу и характеристики гравитационного поля, в котором находится тело, в частности ускорение свободного падения, можно вычислить массу.

Не следует путать массу с количеством вещества, которое в СИ описывается в единицах моль. По сути моль — это число частиц вещества, поэтому разные тела, имеющие одинаковое число частиц (атомов, молекул), которые их образуют, в общем случае обладают разной массой.

Физическая величина плотность

Наконец, прежде чем переходить к вопросу о том, как перевести объем в массу, рассмотрим плотность — величину, которая непосредственно касается указанного вопроса.

В таких науках, как химия и физика, под плотностью некоторой субстанции понимают количество массы, которая заключена в определенном объеме. Поскольку объем и масса являются скалярными величинами, то и плотность также — скаляр. Обычно плотность обозначают греческой буквой ρ (ро).

Согласно приведенному определению, математически можно записать: ρ = m/V, где m — масса тела в килограммах, V — объем в кубических метрах, который занимает это тело. Это означает, что плотность измеряется в единицах кг/м 3 .

Плотность однородных и неоднородных тел

Приведенная в предыдущем пункте формула для определения плотности справедлива, если вещество в теле распределено равномерно. В таких случаях говорят о гомогенном, или однородном теле.

В случае же если тело является гетерогенным, то каждая его микрообласть характеризуется собственным значением плотности. В таких случаях для определения среднего значения плотности для всего тела необходимо измерить ее значение в каждом микроскопическом объеме тела, сложить полученные результаты и разделить на число проведенных измерений.

Отметим, что понятие плотности считается определенным до пространственных масштабов порядка 10 -8 м. На атомных масштабах понятие плотности теряет смысл, что связано с определенной структурой атома. Так, атом, состоящий из ядра и электронных оболочек, имеет радиус порядка 10 -10 м, размер ядра атома составляет порядка 10 -13 м, то есть радиус атома больше радиуса его ядра в 1000! Практически вся масса атома сосредоточена в его маленьком ядре, что приводит к огромным ядерным плотностям, они составляют порядка 10 17 кг/м 3 , то есть если бы удалось получить вещество, которое состояло бы только из атомных ядер, то 1 м 3 этого вещества имел бы массу 100 000 млрд тонн! Приблизительно такие плотности существуют во Вселенной в нейтронных звездах и черных дырах.

Как перевести объем в массу в физике?

Познакомившись с определением всех необходимых величин, непосредственно перейдем к ответу на вопрос статьи. Чтобы перевести объем в массу, воспользуемся определением плотности материи: ρ = m/V. Из этой формулы выражаем массу, получаем: m = ρ*V.

Таким образом, если известен объем тела и значение плотности вещества, из которого это тело состоит, то достаточно перемножить эти величины, чтобы получить массу тела, что является ответом на вопрос о том, как переводить объем в массу. Следует помнить, что перед тем, как перемножать объем и плотность, необходимо привести их к соответствующим единицам измерений, например к [м 3 ] и [кг/м 3 ] соответственно.

Наоборот, чтобы перевести массу в объем, формула подойдет следующая: V = m/ρ, то есть массу тела нужно поделить на его плотность.

Связь между объемом и массой для воды

Чтобы объем воды перевести в массу, следует воспользоваться приведенной выше формулой. Однако для чистой воды значение плотности составляет 1000 кг/м 3, или 1 г/см 3, или 1 кг/л. Это означает, что объем в массу и наоборот для этой субстанции легко переводить, для этого нужно лишь знать соответствие между единицами измерений этих физических величин. Например, 2 л воды имеют массу 2 кг, а 3,5 тонны воды занимают объем 3,5 м 3 .

Отметим, что плотность 1000 кг/м 3 характерна только для чистой воды. Любые примеси и соли могут значительно изменить этот показатель, например плотность морской воды составляет 1027 кг/м 3 , то есть морская вода на 2,7 % плотнее пресной.

Источник

Формула массы через плотность и объем — примеры вычислений

Формула массы через плотность и объем является одной из базовых формул физики, изучаемых в рамках школьной программы еще в седьмом классе. Она пригодится в решении многих задач.

Формула зависимости массы от объема и плотности

Для того, чтобы найти плотность жидкости или твердого вещества, существует базовая формула: плотность равна массе, поделенной на объем.

Записывается это так:

И из нее можно вывести еще две формулы.

Формулу для объема тела:

А также формулу для расчета массы:

Как видите, запомнить последнюю очень легко: это единственная формула, где две единицы нужно умножить.

Для запоминания этой зависимости можно использовать рисунок в виде «пирамидки», разделенной на три секции, в вершине которой находится масса, а в нижних углах – плотность и объем.

Несколько иначе обстоят дела с газами. Рассчитать их вес гораздо сложнее, так как у газов нет постоянной плотности: они рассеиваются и занимают весь доступный им объем.

Для этого пригодится понятие молярной массы, которую можно найти, сложив массу всех атомов в формуле вещества при помощи данных из периодической таблицы.

Вторая единица, которая нам понадобится – количество вещества в молях. Его можно вычислить по уравнению реакции. Подробнее об этом можно узнать в рамках курса химии.

Другой способ нахождения мольного количества – через объем газа, который нужно поделить на 22,4 литра. Последнее число – это объемная постоянная, которую стоит запомнить.

В итоге, зная две предыдущие величины, мы можем определить массу газа:

где M – это молярная масса, а n – количество вещества.

Результат получится в граммах, поэтому для решения физических задач важно не забыть перевести его в килограммы, поделив на 1000. Числа в этой формуле часто могут оказываться достаточно сложными, поэтому для вычислений может понадобиться калькулятор.

Еще один нестандартный случай, с которым можно столкнуться – необходимость найти плотность раствора. Для этого существует формула средней плотности, построенная аналогично формулам других средних величин.

Для двух веществ посчитать ее можно так:

Также из этой формулы можно вывести несколько других в зависимости от того, какие из величин известны по условию задачи.

Таблица плотности некоторых веществ

Плотность многих веществ известна заранее и легко находится по соответствующей таблице.

В работе с ней важно обращать внимание на размерности и не забывать о том, что все данные собраны при нормальных условиях: комнатной температуре в 20 градусов Цельсия, а также определенном давлении, влажности воздуха и так далее.

Плотности других, более редких веществ можно найти онлайн.

Как минимум одно из значений плотности стоит запомнить, так как оно часто появляется в задачах. Это плотность воды – 1000 кг/м3 или 1 г/см3.

Примеры решения задач

Задача 1

Условие: имеется алюминиевый брусок со сторонами 3, 5 и 7 сантиметров. Какова его масса?

Найдем объем бруска:

V = 3 * 5 * 7 = 105 см 3 ;

Табличное значение плотности алюминия: 2800 кг/м 3 или 2,8 г/см 3 ;

Вычислим массу бруска:

Задача 2

Задача по смежной теме.

Условие: сколько энергии потребуется для того, чтобы довести воду комнатной температуры (20 градусов Цельсия) из стакана (ёмкость 200 мл) до температуры кипения?

Найдем недостающую информацию: температура кипения воды t₂ = 100 градусов Цельсия, удельная теплоемкость воды с = 4200 Дж/кг * С, плотность воды 1 г/см 3 , 1 мл воды = 1 см 3 ;

m = 200 * 1 = 200 г = 0,2 кг;

Q = 4200 * 0,2 * (100 – 20) = 67200 Дж = 67,2 кДж.

Задача 3

Задача с молярной массой.

Условие: найдите массу CO₂ при объеме в 5,6 л.

Найдем молярную массу CO₂ :

M = 12 + 16 * 2 = 44 г/моль;

Найдем количество вещества через объем:

n = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль;

Источник

Использование формулы массы через плотность и объём

Физика — наука невероятно увлекательная, если разобраться, что там к чему. А формулы в ней отражают реальные физические процессы, только в цифрах. И если вы будете понимать, почему формула именно такова, то учиться будет много легче. Но все сразу рассказать невозможно, и сегодня мы разберемся, как произвести нахождение массы через плотность и объём.

Прежде, чем приступить к изучению формул массы, плотности и объёма, следует уточнить некоторые детали:

• Во-первых, объём вещества зависит от температуры. При нагревании твёрдое вещество расширяется, при низкой температуре уменьшается. Есть также особые моменты, как в случае с жидким водородом. Он не может существовать при высокой температуре, потому что превратится в газ.
• Во-вторых, разные организации и страны имеют свои стандарты условий, при которых проводятся измерения. Иными словами, числовой показатель плотности одного и того же вещества в разных странах будет отличаться. Поэтому, прежде чем утверждать, что показатели неверные или правильные, следует уточнить условия, при которых эти показатели были получены.
• В-третьих, помимо температуры, на фактор объёма могут влиять и такие показатели, как атмосферное давление. Оно особо важно при измерении плотности газов, так как на твёрдые вещества это практически не влияет.

Формула и удивительная история её возникновения

Самая обычная формула для большинства случаев имеет вид: m = pV , где m – масса тела, p и V – плотность вещества и его объём, занимаемый в пространстве соответственно. Можно, конечно, не заморачиваться и посчитать всё на онлайн-ресурсах, но знать формулу всё же полезно. Соответственно V = m / p , p = m / V .

Самое интересное – это то, что формулу нашёл мужик, который бегал голышом по улице и был при этом другом царя. Интересно? Тогда следующие три абзаца для вас.

Был в Древней Греции такой царь-тиран, как Гиерон II. Он начал подозревать, что его корону сделали не из чистого золота и ювелиры его облапошили. Но Гиерон не знал, как можно это доказать. Тогда он обратился к умнейшему человеку того времени – Архимеду. Получив приказ разобраться с делами государственной важности, Архимед день за днём стал искать решение вопроса.

Ох, и нелёгкая же задачка выпала учёному. Ведь на то время не было ни нужных формул, ни современных девайсов, ни гугла, чтобы быстренько найти решение. И вот однажды, придя в баню и погрузившись в неё, Архимед заметил, что выливающаяся вода равна по объёму тому, что погружено в воду.

Эврика! – Прокричал Архимед и нагишом поспешил в свою лабораторию проводить опыты. Учёный сложил все данные в своей голове и позже проделал следующий опыт: он взял корону и опустил её в воду. Затем он взял кусок золота такого же веса и опустил его также в воду. Объём вытесненной воды получился разным. Если бы корона была сделана из чистого золота, то её объём и слитка совпали. Это доказывало то, что ювелиры обманули царя. Кто бы мог подумать, что одно из величайших открытий появилось благодаря обманщикам, тирану и учёному.

Обозначения и термины

Далее будет приведён список понятий и их определение в условиях понятий об измерениях плотности:

• Масса – плотность тела, помноженная на его объём, занимаемый в пространстве. Это также величина, определяющая силу воздействия гравитационного поля на объект.
• Объём – физическая величина, характеризующая количество пространства, занимаемое объектом.
• Плотность определяет то, какое количество вещества умещается в объёме при определённом весе в стандартных условиях.
• Нормальные/стандартные условия в разных организациях имеют свои значения. К таким условиям относятся температура окружающей среды, атмосферное давление и в отдельных случаях прочие параметры.
• Атмосферное давление – понятие, применяемое больше для газов, так как на их объём имеет большое влияние, нежели на твёрдые вещества. Атмосферное давление можно определить как силу, с которой воздействует воздух на Землю под действием гравитационного поля.
• Температура – физический показатель степени нагрева вещества. Чем больше температура, тем больше объём тела.

Примеры решения задач

Прежде чем приступить к примерам, следует понимать, что если данные даны в килограммах и кубических сантиметрах, то нужно либо сантиметры перевести в метры, либо килограммы перевести в граммы. По такому же принципу надо переводить и остальные данные – миллиметры, тонны и так далее.

Задача 1. Найти массу тела, состоящего из вещества, плотность которого равна 2350 кг/м³ и имеет объём 20 м³. Применяем стандартную формулу и с лёгкостью находим значение. m = p*V= 2 350 * 20 = 47 000 кг.

Задача 2. Уже известно, что плотность чистого золота без примесей равна 19,32 г/см³. Найти массу драгоценной цепочки из золота, если объём составляет 3,7 см³. Воспользуемся формулой и подставим значения. p = m / V = 19,32/3,7 = 5,22162162 гр.

Задача 3. На склад поставили металл с плотностью 9250 кг/м³. Масса составляет 1,420 тонн. Нужно найти занимаемый металлом объём. Тут нужно сначала перевести либо тонны в килограммы, либо метры в километры. Проще будет воспользоваться первым методом. V = m / p = 1420/9250 = 0.153513514 м³.

Зачем и кому нужно знать эти формулы

В любой стране есть стандарты, по которым производится продукция. Неважно, какая это отрасль – пищевая, химическая или другая. Стандарты также могут быть мировыми. Так вот для того чтобы выпускаемая на заводах продукция соответствовала этим стандартам и нужны знания о плотности, массе и объёме.

Но зачем кому-то придерживаться чьих-то правил? Для начала, эти правила взяты не с потолка. К этому пришли разные бизнесмены со всего мира и нашли оптимальное решение, удовлетворяющее как производителей, так и конечных пользователей продукта. Если бы все выпускали продукцию как им вздумается, то людям было бы очень тяжело выбрать производителя. Ведь даже сейчас, со всеми стандартами и ГОСТами выбор просто огромный.

Кроме того, игнорируя физику и математику, можно выработать продукцию себе же в убыток или сделать продукцию, которая не оправдает ожиданий и будет выглядеть не так, как задумывал производитель. Есть и другие ситуации, где необходимы знания подобного рода – при подсчёте планируемого объёма, который займёт продукция на складе; вес продукции, которую нужно будет перевести и т.д.

Эти знания могут потребоваться инженерам, технологам, конструкторам и прочим профессиям, чья деятельность связана с физическими материалами. Конечно, для простого обывателя эти знания могут и не пригодиться. Однако, стоит вспомнить про случай с Архимедом и тогда вы поймёте, что знания – защита от обмана и настоящая сила!

Видео

В видео очень подробно объясняется, как рассчитать массу и объем тела по его плотности.

Источник