Ćwiczenie 2/4

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.

Piknometry trudno jest stosować do niskowrzących cieczy, gdyż wtedy parowanie z kapilary zaczyna mieć wpływ na wynik pomiaru. Pomiar piknometrem substancji silnie toksycznych oraz wchodzących łatwo w reakcję z tlenem lub wilgocią wymaga zastosowania wagi i termostatu umieszczonych w komorze rękawicowej.

Gęstość (masa właściwa) - masa jednostki objętości, dla substancji jednorodnych określana jako stosunek masy m do objętości V:

Dla substancji niejednorodnych zależy od punktu substancji i określana wówczas jako granica stosunku masy do objętości, gdy objętość obejmuje coraz mniejsze objętości obejmujące punkt:

gdzie m oznacza masę ciała (jako funkcję objętości), zaś V jego objętość.

Jednostki gęstości: kilogram na metr sześcienny - kg/m³ (w SI), kg/l, g/cm³ (CGS).

Gęstość jest cechą charakterystyczną substancji, a w określonych warunkach standardowych stanowi jedną z najważniejszych cech substancji - służy do obliczania masy i ciężaru określonej objętości substancji. Dla substancji jednorodnej zachodzi

,

a dla ciał niejednorodnych

.

Gęstość ciał stałych można wyznaczyć przez ważenie próbek o znanej objętości, przy wyznaczaniu gęstości cieczy stosuje się areometry. Areometry wypełnione cieczą o znanej gęstości mogą służyć do wyznaczania gęstości innych cieczy. Przy wyznaczaniu gęstości gazów stosuje się metody ważenia naczyń z gazem o różnym ciśnieniu gazu.

Gęstość większości substancji zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury (jednym z wyjątków jest woda w temperaturze poniżej 4°C). Zjawisko to wynika z rozszerzalności cieplnej ciał. Podczas przemian fazowych gęstość zmienia się skokowo (w temperaturze przemiany), podczas krzepnięcia zazwyczaj wzrasta (najbardziej znanymi wyjątkami są woda, żeliwo, a z pierwiastków bizmut, gal i german).

Ciężar, siła ciężkości - siła z jaką Ziemia lub inne ciało niebieskie przyciąga dane ciało, w układzie odniesienia związanym z powierzchnią ciała niebieskiego. Ciężar jest wypadkową sił przyciągania grawitacyjnego i siły odśrodkowej wynikającej z ruchu obrotowego określonego ciała niebieskiego.

Jakkolwiek teoretycznie pole grawitacyjne każdego ciała niebieskiego rozciąga się na cały Wszechświat, zazwyczaj mówiąc o ciężarze ma się na myśli układ planety i ciała znajdującego się stosunkowo blisko jej powierzchni. W przypadku Ziemi ciężar ciała zależy od położenia ciała względem Ziemi, zależny jest między innymi od szerokości geograficznej, wysokości nad poziomem morza i budowy podłoża.

Jednostką ciężaru w układzie SI jest niuton, jednak nadal dozwolone jest używanie jednostek spoza układu SI - stosuje się jeszcze np. kilogram-siłę - kgf^[1].

Ciężar, jako siła, jest wielkością wektorową - wektor ciężaru skierowany jest w każdym miejscu do środka ciężkości układu planeta-ciało, co w praktyce oznacza środek ciężkości planety.

Jeżeli masa sferycznie symetrycznej planety o promieniu r wynosi M, a masa danego ciała m, to wartość ciężaru ciała na powierzchni planety dana jest wzorem:

gdzie G jest stałą grawitacji.

Zwykle wielkość:

nazywa się przyspieszeniem grawitacyjnym na powierzchni planety i oznacza przez g, co prowadzi do prostego wzoru łączącego masę ciała z jego ciężarem:

Oznacza to, że przy ustalonym g ciężar jest proporcjonalny do masy ciała.

Dla Ziemi g ≈ 9,81 m/s². W przypadku Księżyca: g_K ≈ 1,62 m/s², co oznacza, że ciężar każdego ciała jest tam około sześciokrotnie mniejszy niż na Ziemi.

W potocznym myśleniu nie rozróżnia się masy i ciężaru, stosując te dwa pojęcia wymiennie (często używa się wtedy też słowa waga).

Masa - w fizyce jedna z najważniejszych wielkości fizycznych określająca bezwładność (masa bezwładna) i oddziaływania grawitacyjne (masa grawitacyjna) obiektów fizycznych. Potocznie rozumiana jako ilość materii i energii zgromadzonej w obiekcie fizycznym. Jest wielkością skalarną.

Peter Higgs postulował istnienie pola, a bazująca na koncepcji pola, hipoteza zakłada, że masa nabywana jest przez oddziaływanie z otoczeniem i nie jest fundamentalną własnością cząstek materii.

W układzie jednostek miar SI masa wyrażana jest w kilogramach. Symbol stosowany na oznaczenie masy to: m.

W fizyce masa pojawia się wielokrotnie jako pojęcie pierwotne i dlatego bywa używana z określnikiem. W nierelatywistycznej fizyce klasycznej masa występuje jako:

• w prawie grawitacji - tak określana masa jest zwana masą grawitacyjną,

• w II zasadzie dynamiki Newtona - masa bezwładna.

Masa bezwładna [edytuj]

Jest miarą bezwładności ciała, to znaczy miarą zmiany prędkości ciała wywołanej działaniem na nie siły. Według drugiej zasady dynamiki zachodzi równość:

gdzie:

• F - wektor siły działającej na ciało,

• m - masa bezwładna ciała,

• v - wektor prędkości ciała,

• t - czas.

• a - wektor przyspieszenia

W powyższym wzorze pierwszy składnik związany jest z relatywistyczną zmianą masy a drugi składnik jest klasycznym opisem dynamiki. W mechanice nierelatywistycznej (dla prędkości dużo mniejszych od prędkości światła) pierwszy składnik się zeruje (jest bardzo bliski zeru) i wzór przyjmuje postać jak w drugiej zasadzie dynamiki Newtona:

Według zasady Macha bezwładność materii nie wynika z własności wewnętrznej materii, ale stanowi miarę jej oddziaływania z całym Wszechświatem.

Masa grawitacyjna [edytuj]

W mechanice nierelatywistycznej, wielkość opisująca oddziaływania grawitacyjne dwóch punktowych ciał występująca we wzorze na oddziaływania grawitacyjne:

gdzie:

• F - siła oddziaływania ciał,

• G - stała grawitacji,

• m₁, m₂ - masy oddziałujących ciał,

• r - odległości ciał.

W fizyce relatywistycznej pojęcie masy zależy od teorii, różne podejścia do masy przedstawiają szczególna teoria względności i ogólna teoria względności.

Jednym z postulatów ogólnej teorii względności jest zasada równoważności mówiąca że nie można rozróżnić spadku swobodnego od ruchu jednostajnego, z postulatu tego wynika, że te dwa rodzaje masy (bezwładna i grawitacyjna) są sobie równoważne.

Prawo zachowania masy, które odegrało bardzo ważną rolę w chemii, mówiło że jeżeli układ nie wymienia materii z otoczeniem, to masa materii uczestniczącej w dowolnym procesie fizycznym lub chemicznym pozostaje stała. Jednak zgodnie z koncepcją równoważności masy i energii przedstawioną przez Alberta Einsteina masa może być postrzegana jako forma energii. Ta zależność staje się bardzo widoczna w reakcjach jądrowych. Dlatego też założenie pierwotne o stałości masy musiało być rozszerzone na wszystkie rodzaje energii.

W szczególnej teorii względności masa jest niezmiennikiem transformacji Lorentza. Słuszny jest w niej związek pomiędzy energią, pędem i masą ciała:

Czasem spotyka się też pojęcie "masy relatywistycznej",

Masa relatywistyczna rośnie wraz z prędkością poruszającego się obiektu (aż do nieskończoności przy zbliżaniu się prędkości do prędkości światła).

Wprowadzenie pojęcia "masy relatywistycznej" to zabieg dostosowujący wzory fizyczne z mechaniki klasycznej do Szczególnej Teorii Względności. Na przykład dzięki użyciu pojęcia masy relatywistycznej w miejsce spoczynkowej, równanie pędu newtonowskiego
staje się prawdziwe dla każdego przypadku prędkości, z jaką porusza się ciało, a nie tylko prędkości małych w porównaniu z prędkością światła.

---