UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I SRODOWISKA

INSTYTUT BUDOWNICTWA

ĆWICZENIE NR 2

Z FIZYKI

TEMAT: WYZNACZANIE GĘSTOŚCI CIECZY I CIAŁ STAŁYCH PRZY POMOCY PIKNOMETRU

Dominik Śliwiński

Grupa 11 budnp

Podgrupa B

Opracowanie zawiera 4 ponumerowane strony.

Rok akademicki 2010/2011

1. ZAGADNIENIA

• obliczenie gęstości ciała

• metody wyznaczanie gęstości ciał stałych i cieczy

• piknometr

1. WSTĘP TEORETYCZNY

1. Gęstość (masa właściwa) – jest to stosunek masy pewnej ilości substancji do zajmowanej przez nią objętości. W przypadku substancji jednorodnych porcja ta może być wybrana dowolnie jeśli jej objętość wynosi V, a masa m, to gęstość substancji wynosi

$$p = \frac{m}{V}$$

Jednostką gęstości w układzie SI jest kg/m³ .

W przypadku substancji niejednorodnych, gęstość nie jest stała w przestrzeni i określana jest dla danego punktu z osobna, definiuje się ją jak wyżej, przy założeniu, że wybrana porcja substancji, obejmująca dany punkt jest jak najmniejsza. Wybierając próbkę w otoczeniu danego punktu otrzymujemy gęstość w tym punkcie jako granicę stosunku masy próbki dm do jej objętości dv przy rozmiarach próbki dążącej do zero

$$p = \frac{\text{dm}}{\text{dV}}$$

1. Gęstość bezwzględna - jest to stosunek masy jednorodnego ciała do objętości jaką zajmuje wyrażana w g/cm³ lub dowolnych innych jednostkach masy i objętości. Objętość ciał zależy od temperatury i ciśnienia, tak więc gęstość również zależy od tych parametrów.

Wpływ ciśnienia na ciecze oraz ciała stałe jest na tyle niewielki, iż często jest to pomijalne z praktycznego punktu widzenia. Temperatura ma spory wpływ na gęstość cieczy i ciał stałych. Zmiana gęstości bezwzględnej ciał stałych i cieczy jest nazywana rozszerzalnością cieplną, a jej miarą jest współczynnik rozszerzalności oznaczany zwykle symbolem c_p.

1. PIKNOMETR - naczynie szklane, które pozwala na dokładny pomiar masy cieczy przy ściśle określonej objętości. Metoda piknometryczna jest jednym z najprostszych sposobów wyznaczania gęstości cieczy (metod densymetrycznych). Kluczowym elementem piknometru jest korek szlifowy z zatopioną rurką kapilarną, która umożliwia łatwą obserwację poziomu cieczy umieszczonej w naczyniu. Przed pomiarem piknometr celowo lekko przepełnia się analizowaną cieczą, po czym zamyka się go szczelnie korkiem i termostatuje. Nadmiar cieczy wypływający przez kapilarę usuwa się bibułą. Następnie umieszcza się przyrząd na wadze i szybko mierzy jego masę. W czasie pomiaru masy, na skutek kurczenia się objętości cieczy jej poziom zazwyczaj wyraźnie spada w kapilarze, nie ma to jednak znaczenia o ile w momencie kładzenia przyrządu na wadze był on całkowicie napełniony i miał właściwą temperaturę. Dzięki małej średnicy kapilary parowanie z niej cieczy nie ma istotnego wpływu na wynik pomiaru.

1. DOŚWIADCZENIE

Gęstość ciał stałych możemy wyznaczyć za pomocą piknometru, ale tylko wówczas, gdy rozporządzamy kawałkami ciała dającymi się włożyć do wnętrza piknometru. Sposobem tym szczególnie łatwo wyznaczać gęstości ciał sypkich, np. piasku ziarnistego, śrutu, sproszkowanych ciał krystalicznych i innych. Bierzemy taką ilość ciała sypkiego, aby na oko była ona równa 1/3 do 1/2 objętości piknometru. Biorąc zbyt małą ilość popełnialibyśmy przy ważeniu bardzo duży błąd względny. Najpierw ważymy pusty piknometr wyznaczając jego masę m_1. Potem wrzucamy albo wsypujemy do piknometru badane ciało stałe. Następnie ważymy piknometr wraz z badanym ciałem, znajdując jego masę m₂. Wypełniamy dokładnie piknometr wodą. Zanim zatkamy piknometr korkiem, usuwamy starannie poprzez wielokrotne wstrząsanie pęcherzyki powietrza, które "przylgnęły" do powierzchni ziaren ciała. Zamknąwszy piknometr korkiem ważymy go wraz z zawartością wyznaczając nową masę m₃ .Dla ustalenia wszystkich danych dokonujemy ważenia piknometru z wodą destylowaną m₄.

Dane:

- waga piknometru z korkiem (mp) = =

- waga piknometru z wodą (mw) = =

- temp. wody (dt) = 21^oC = 294 K

- gęstość cieczy wzorcowej (pw) = 998 kg/m³

- masa badanej cieczy (mbc) = =

- gęstość badanej cieczy (alkohol etylowy) – pc

- gęstość ciała stałego - (pcs)

- masa badanego ciała (mcs) = =

- masa mc = =

1. Obliczenie objętości ciała i cieczy:

$$Vcieczy = \frac{mw - mp}{\text{dt}}$$

$$Vmater. = \frac{mbc - mp}{\text{dt}}$$

$$Vcieczy = \frac{0,08630 - 0,05770}{294} = 9,7278*10^{- 5}kg/m3\ $$

$$Vmater. = \frac{0,08510\ - 0,05770\ }{294} = 9,3197*10^{- 5}kg/m3$$

1. Obliczenie gęstości bezwzględnej cieczy:

$$pc = \frac{mbc - mp}{\operatorname{mw}{- \ \text{mp}}}*\text{pw} = \frac{0,08510 - 0,05770\ }{0,08630 - \ 0,05770}*998 = \frac{0,0274}{0,0286}*998 = 956,12kg/m^{3} = \ {0,095\ g/m}^{3}$$

1. Obliczenie gęstości bezwzględnej ciała stałego:

$$\text{pcs} = \ \frac{\text{mcs}}{\text{mcs} + \operatorname{mw}{- \ \text{mc}}} = \ \frac{0,06409\ }{0,06409 + 0,08630 - 0,09035\ } = \frac{0,06409}{0,06004} = 1,067\ kg/m^{3}\ $$

= 0,00106 g/m³

WNIOSKI:

- obliczona gęstość cieczy (alkoholu etylowego) jest znacznie większa od ustalonej normowej gęstości tej cieczy, która wynosi 790 kg/m³

- obliczona gęstość kulek ołowianych wynosi 1,067 kg/m³ w temperaturze 21^oC. Tabelaryczna wartość gęstości ołowiu wynosi w temp. 20^oC ok. 11300-11400 kg/m³.

- różnice obliczeń (błędy) mogły powstać na skutek niepożądanych pęcherzyków powietrza w piknometrze wypełnionym cieczą, niedokładnym osuszeniu piknometru czy np. przyjętej różnej masie ołowiu czy cieczy.