Под плотностью понимается отношение массы сплошного тела к его объему, измеряемое обычно в г/см3.
Объёмный вес для пористых тел (дли сыпучих материалов, например, пресспорошков - «насыпной вес») - отношение массы тела к его полному (включая объем пор) объему. Объемный вес также измеряется обычно в г/см3.
Из этих определений вытекает, что различие между объемным весом и плотностью определяется наличием в твердом материале пор. Поэтому в технической практике используют понятие объемного веса лишь для материалов с большой пористостью, таких как бумага, пенопласт и т. п.
Если обозначить m - массу Образца; V - объем образца (включая объем пор); VП - объем пор в образце; D– плотность сплошного вещества; D1 - объемный вес, то получим соотношения:
D = m/(V-VП)
D1=m/V
Полная пористость материала, г. е. отношение объема пор к полному объему:
П= VП/V
может быть определена точным измерением объема целого образца и того же образца, измельченного в тонкий порошок; разность обоих объемов, отнесенная к объему целого образца, дает величину П.
Для точных измерений плотности применяют ряд методов: для определения плотности твердых тел - метод гидростатического взвешивания и метод пикнометра, которые дают точность до пятого знака, а при особо тщательных измерениях - до шестого знака; для определения плотности жидкостей - методы ареометра (точность до третьего или четвертого знака), гидростатического
взвешивания (точность при употреблении аналитических весов – до шестого знака, а при упрощенных измерениях с весами Вестфаля-Мора - до третьего знака) н пикнометра (точность до шестого знака).
При определении плотности с помощью пикнометра и гидростатического взвешивания можно определить плотность только твердых тел, не реагирующих с водой и не растворяющихся в ней.
Ареометр. Ареометр - узкий стеклянный поплавок, в нижней части которого находится груз, а в верхней части – шкала. Ареометр не должен касаться стенок сосуда, в который залита испытуемая жидкость. Погружать ареометр следует осторожно, чтобы часть его, выступающая из жидкости, не была смочена. Когда ареометр плавает в жидкости, то отсчет по шкале, совпадающей с верхним краем мениска жидкости, дает значение плотности.
Метод гидростатического взвешивания. Метод основан на уменьшении веса твердого тела, погруженного в жидкость, в соответствии с законом Архимеда.
Метод гидростатического взвешивания обладает простотой и быстротой выполнения измерения. Его погрешность при достаточно высокой точности поддержания температуры жидкости и образца не превышает 0.1 %. Погрешность взвешивания не должна превосходить ±0.2 мг при массе образца от 0.2 до 5.0 г.
Если метод применяется к жидкостям, к крючку чашки аналитических весов подвешивают на тонкой проволочке стеклянный «поплавок» с термометром и определяют веса: поплавка в воздухе G1; поплавка, погруженного в дистиллированную воду G2; поплавка, погруженного в испытуемую жидкость G3.
Искомая плотность вычисляется по формуле:
При измерении плотности твердых тел по методу гидростатического взвешивании испытуемый образец подвешивают к крючку чашки аналитических весов на тонкой проволочке и определяют веса: образца в воздухе G; образца, погруженного в дистиллированную воду G1.
Затем снимают образец с проволочки и определяют вес gпроволочки, которая должна быть погружена в воду приблизительно на ту же глубину, что и при предыдущем взвешивании.
Плотность рассчитывается по формуле:
При массовом измерении плотности жидкостей методом гидростатического взвешивания применяют специальные коромысловые гидростатические весы (весы Вестфаля—Мора); их устройство показано на рис. 1.
Рис. 1. Гидростатические весы (весы Вестфаля—Мора).
Они состоят из короткого плеча 1, заканчивающегося острием 6, и длинного плеча 2, на котором нанесены 10 вырезов, соответствующие 10 равным частям коромысла. На десятом вырезе с помощью крючка 3 подвешен
стеклянный поплавок 5 с термометром. При равновесии весов острие короткого плеча останавливается против неподвижного острия 7. Массы плеч коромысел и поплавка отрегулированы так, что весы находятся в равновесии, если поплавок находится в воздухе. К весам прилагается набор разновесов в виде рейтеров (А0, А, В и С). Рейтеры А0 (с ушком) и А имеют одинаковую массу, равную массе дистиллированной воды в сосуде 4, объем которой численно равен объему поплавка (температура 15 0С). Если поплавок погрузить в воду с температурой 15 °С и одновременно на крючок 3 повесить рейтер А0, как показано на рис. 1. то равновесие весов не нарушится. Груз В в 10 раз, а груз С в 100 раз легче груза А (или А0). Испытуемую жидкость с температурой 15°С заливают в сосуд и погружают в нее поплавок 5. Если жидкость легче воды, то рейтер А0 не используется; рейтеры А, В и С располагают в вырезах коромысла так, чтобы весы пришли в равновесие. Относительная плотность жидкости ρ15 находится как сумма следующих произведений: номера выреза, в котором находится рейтер А, на коэффициент 0.1; номера выреза с рейтером В на коэффициент 0.01 и номера выреза с рейтером С на коэффициент 0.001. Если испытуемая жидкость тяжелее воды, то определение плотности ведется таким же образом, но на крючок 3 вешается рейтер А0 и перед запятой в значении ρ15 ставится цифра 1 вместо цифры 0.
Пикнометрический метод определения плотности является более точным, но и более трудоемким по сравнению с предыдущим методом. Он основан на сравнении масс образца и дистиллированной воды того же объема. Пикнометр представляет собой сосуд строго определенной вместимости, в который заливают испытуемую жидкость до обозначенной метки; в некоторых пикнометрах имеется особая пробка для удаления избытка жидкости. Емкость жидкости от 1 до 100 см3. При определении плотности твердого материала образцы должны иметь массу от 1 до 5 г. Производятся три взвешивания: испытуемого образца в воздухе М, пикнометра, наполненного жидкостью известной плотности М', и пикнометра, наполненного той же жидкостью с погруженным в нее образцом М''. Уровень жидкости и ее температура в обоих случаях должны быть строго одинаковыми. Погрешность при определении массы не должна превышать 0.2 мг. Искомая плотность при 20 °С:
Если пикнометр применяют для определения плотности жидкости, то путем взвешивания на точных аналитических весах находят: массу пустого пикнометра М1, массу пикнометра, залитого дистиллированной водой М2, массу пикнометра, залитого испытуемой жидкостью М3. Плотность жидкости при 20 0С:
Если определение плотности производится при t≠20 oC, то в приведенные выше формулы вместо ρ20H20 подставляют ρtH20 — плотность воды при этой температуре (ρ20H20 = 998.20 кг/м3; ρ23H20 = 997.55 кг/м3 и ρ27H20=996.52 кг/м3).