Как найти объем металла физика

Химия и физика всегда подразумевают вычисление различных величин, в том числе и объём вещества. Объем вещества можно рассчитать при помощи некоторых формул. Главное знать, в каком состоянии находится данное вещество. Агрегатных состояний, в которых могут пребывать частицы, существует четыре:

• газообразное;
• жидкое;
• твёрдое;
• плазменное.

Для вычисления объёма каждого из них есть своя конкретная формула. Для того чтобы найти объем, нужно иметь определённые данные. К ним относятся масса, молярная масса, а также для газов (идеальных) – газовая постоянная.

Плотность тела — зависимость массы и объема

Например, железный куб с ребром 10 см имеет массу 7,8 кг, алюминиевый куб тех же размеров имеет массу 2,7 кг, а масса такого же куба изо льда 0,9 кг. Величина, характеризующая массу, приходящуюся на единичный объём данного вещества, называется плотностью. Плотность равна частному от массы тела и его объёма, т.е.

ρ = m/V, где ρ (читается «ро») плотность тела, m — его масса, V объём.

В Международной системе единиц СИ плотность измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м3); также часто используются внесистемные единицы, например, грамм на кубический сантиметр (г/см3). Очевидно, 1 кг/м3 = 0,001 г/см3. Заметим, что при нагревании веществ их плотность уменьшается или (реже) увеличивается, но это изменение так незначительно, что при расчётах им пренебрегают.

Сделаем оговорку, что плотность газов непостоянна; когда говорится о плотности какого-нибудь газа, обычно имеется ввиду его плотность при 0 градусов по Цельсию и нормальном атмосферном давлении (760 миллиметров ртутного столба).

Объем, масса, плотность, удельный объем. Приведение к нормальным и стандартным условиям и пересчет

Приведение к нормальным и стандартным условиям

Единицей измерения объема газа является кубический метр (м³). Измеренный объем приводится к нормальным физическим условиям.
Нормальные физические условия: давление 101 325 Па, температура 273,16 К (0 °С).

Стандартные условия: давление 101 325 Па, температура 293,16 К (+20 °С).

В настоящее время эти обозначения выходят из употребления. Поэтому в дальнейшем следует указывать те условия, к которым относятся объемы и другие параметры газа. Если эти условия не указываются, то это значит, что параметры газа даны при 0 °С (273,16 °К) и 760 мм рт. ст. (1,033 кгс/см²). Иногда объем газа (особенно в иностранной литературе и нормах) при пользовании системой СИ приводится к 288,16 °К (+15 °С) и давлению 1 бар (105 Па).

Если известен объем газа при одних условиях, то пересчитать его в объемы при других условиях можно с помощью коэффициентов, приведенных следующей таблице.

Коэффициенты для пересчета объемов газа из одних условий в другие

Для приведения объемов газа к 0 °С (273,16 °К) и 760 мм рт. ст. (1,033 кгс/см²), а также к 20 °С (293,16 °К) и 760 мм рт. ст. (1,033 кгс/см²) могут быть применены следующие формулы:

где V0 °С и 760 мм рт. ст. — объем газа при 0 °С и 760 мм рт. ст., м³; V20° С и 760 мм рт. ст. — объем газа при 20 °С и 760 мм рт. ст., м³; VP — объем газа в рабочих условиях, м³; р — абсолютное давление газа в рабочих условиях, мм рт. ст.; Т — абсолютная температура газа в рабочих условиях, °К.

Пересчет объемов газа, приведенных к 0 °С и 760 мм рт. ст., а также к 20 °С и 760 мм рт. ст., в объемы при других (рабочих) условиях можно производить по формулам:

Любой газ способен расширяться. Следовательно, знание объема, который занимает газ, недостаточно для определения его массы, так как в любом объеме, целиком заполненном газом, его масса может быть различной.

Масса — это мера вещества какого-либо тела (жидкости, газа) в состоянии покоя; скалярная величина, характеризующая инерционные и гравитационные свойства тела. Единицы массы в СИ — килограмм (кг).

Плотность, или масса единицы объема, обозначаемая буквой p, — это отношение массы тела m, кг, к его объему, V, м³:

p = m/V

или с учетом химической формулы газа:

p = M/VМ = M/22,4,

где M — молекулярная масса, VМ — молярный объем.

Единица плотности в СИ — килограмм на кубический метр (кг/м³).

Зная состав газовой смеси и плотность ее компонентов, определяем по правилу смешения среднюю плотность смеси:

pсм = (p1V1 + p2V2 + … + pnVn)/100,

где p1, p2, …, pn — плотность компонентов газового топлива, кг/м³; V1, V2, …, Vn — содержание компонента, об. %.

Величину, обратную плотности, называют удельным, или массовым, объемом (ν) и измеряют в кубических метрах на килограмм (м³/кг).

Как правило, на практике, чтобы показать, на сколько 1 м³ газа легче или тяжелее 1 м³ воздуха, используют понятие относительная плотность d, которая представляет собой отношение плотности газа к плотности воздуха:

d = p/1,293

и

d = M/(22,4×1,293).

Расчет массы и объема тела

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с необходимостью рассчитывать массы и объёмы разных тел. Это удобно делать, применяя плотность.

Плотности разных веществ определяются по таблицам, например, плотность воды 1000 кг/м3, плотность этилового спирта 800 кг/м3.

Из определения плотности следует, что масса тела равна произведению его плотности и объёма. Объём же тела равен частному от массы и плотности. Этим пользуются при расчётах:

m = ρ * V; или V = m / p;

гдн m масса данного тела, ρ его плотность, V объём тела.

Процесс нахождения объема вещества

Давайте рассмотрим, как найти объём вещества, если оно находится, к примеру, в газообразном состоянии. Для подсчёта нужно выяснить условия задачи: что известно, какие параметры даются. Формула, по которой можно определить, каков объём данного газа, такова:

V = n*Vm

Необходимо молярное количество имеющегося вещества (именуемого n) умножить на молярный его объём (Vm). Так можно узнать объём (V). Когда газ находится в нормальных условиях — н. у., то его Vm – объём в молях составляет 22,4 л./моль. Если в условии сказано, сколько вещества в молях имеется (n), то нужно подставить данные в формулу и выяснить конечный результат.

Если условия не предусматривают указания данных о молярном количестве (n), его нужно выяснить. Есть формула, которая поможет сделать вычисление:

n = m/M

Нужно массу вещества (в граммах) разделить на его молярную массу. Теперь можно сделать вычисление и определить молярное количество. М – это константа, которую можно посмотреть в таблице Менделеева. Под каждым элементом есть число, которое обозначает его массу в молях.

Рассмотрим более сложный пример расчета

Слиток из двух металлов с плотностями ρ1 и ρ2 , имеет массу m и объём V. Определить объём этих металлов в слитке.

Решение. Пусть V1 объём первого металла, V2 объём второго металла. Тогда V1 + V2 = V; V1 = V V2; ρ1V1 + p2V2 = ρ1V1 + ρ2 (V V1) = m

Решив это уравнение относительно V1 , получаем:

V1= (m ρ2V)/(ρ1 ρ2)

Теперь найдём V2:

V2= V — (m ρ2V)/(ρ1 ρ2)

Ответ: объём первого тела равен (m ρ2V)/(ρ1 ρ2), второго V — (m ρ2V)/( ρ1 ρ2). Заметим, однако, что при ρ1 = ρ2 задача не имеет однозначного решения.

Что такое грамм молекула газа

Грамм молекула любого вещества в твердом, жидком или газообразном состоянии представляет собой некоторое количество вещества, занимающее в пространстве определенный объем. Другими словами, грамм-молекула имеет не только вес, но и объем. Этот объем довольно легко рассчитать, пользуясь для этого формулой
P = V · d

где Р — вес, в данном случае вес грамм-молекулы (М), V— объем грамм-молекулы, а а d- удельный вес, или плотность. Для твердых тел мы выражаем объем в граммах на 1 см3, а для газообразных — в граммах на 1 л. Исходя из этой формулы, нетрудно определить объем грамм-молекулы: V = M : d ; М — легко-узнать, подсчитав молекулярный вес вещества, ad — воспользовавшись таблицей плотностей. Будем рассматривать объем при нормальных условиях (температура 0° и давление 760 мм рт. ст.). Из табл. 1 видно, что грамм-молекула каждого из перечисленных веществ занимает различный объем, так как размер молекул каждого вещества неодинаков, а число молекул в грамм-молекуле одно и же. Из приведенных в табл. 2 данных видно, что грамм-молекулярные объемы газов равны между собой: грамм-молекула любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л.

• Запишите эту цифру в тетрадь и хорошо запомните. Чем же это объясняется? Оказывается, у газов промежутки между молекулами настолько велики, что величина молекул по сравнению с этими расстояниями ничтожна, и мы ею можем пренебречь. Таким образом, измеряя объем, мы фактически измеряем объем суммы промежутков между молекулами.

Таблица 1. Грамм-молекулярные объемы и плотность жидкостей и твердых веществ

Грамм-молекулярные объемы и плотность жидкостей и твердых веществ

Таблица 2. Грамм-молекулярные объемы и плотность газов

Что касается расстояния между молекулами, оно зависит только от условий (температуры и давления) и совершенно не зависит от природы газа и размеров его молекул, поэтому при одинаковых условиях мы получаем одинаковые объемы. Отсюда напрашивается следующий вывод: при одинаковых условиях грамм-молекулы любых газов занимают равные объемы.

• Запишите этот вывод в тетрадь.

Полученные результаты логически подводят нас к следующему: так как в грамм-молекуле любого вещества содержится одинаковое число молекул,а грамм-молекулы газов занимают одинаковые объемы при одних и тех же условиях, можно сделать следующий вывод: в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одно и же число молекул. Этот вывод был сделан в 1811 г. итальянским химиком Авогадро и поэтому получил название закона Авогадро.

• Запишите формулировку закона в тетрадь.

■ 1. Как вычислить объем грамм-молекулы твердого вещества для жидкости? (См. Ответ) 2. Почему объемы грамм-молекул жидкостей и твердых тел различны? 3. Что такое «нормальные условия»? 4. Почему объемы грамм-молекул газов при одинаковых условиях равны? 5. Чему равен объем грамм-молекулы любого газа при нормальных условиях? 6. Как формулируется закон Авогадро? (См. Ответ)

Объем, масса, плотность, удельный объем

Объем газов V измеряют в кубических метрах (м3). Вследствие того, что объем газов сильно изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, за его единицу принимают 1 м3 газа при нормальных условиях (температура — 0°С, давление — 101,3 кПа). Для указанных условий определяют основные характеристики газов и выполняются теплотехнические расчеты. При учете расхода газов для коммерческого (финансового) расчета за единицу объема принимают 1 м3 при стандартных условиях (температура — 20°С, давление — 101,3 кПа, влажность — 0%). Зависимость между объемом при нормальных и стандартных условиях:

Vo = V [273/(273 + t)][(Рб + Pи)/101,3] = 2,695V (Pабс/T); (2.7)

V20 = V0 (273 + 20)/273 = 1,073 V0, (2.8)

где V — объем газа, м3, измеренный при рабочих условиях; V0 — то же, м3, при нормальных условиях; V20 — то же, м3, при t = 20°С и Р = 101,3 кПа.

Любой газ способен неограниченно расширяться, поэтому знания только объема, занимаемого газом, недостаточно для определения его массы. Масса — мера вещества какого-либо тела (жидкости, газа) в состоянии покоя; скалярная величина, характеризующая инерционные и гравитационные свойства тела. Единица массы в СИ — килограмм (кг).

Таблица 2.2. Соотношение между единицами давления газа

Плотность, или масса единицы объема, обозначаемая буквой р, — отношение массы тела т, кг, к его объему, V, м3

р = m/V (2.9)

или с учетом химической формулы газа:

р = m/VM = М/22,4 (2.10)

где М — молекулярная масса (см. табл. 2.3).

Зная состав газовой смеси и плотность ее компонентов, определяем по правилу смешения среднюю плотность смеси:

Рсм =(P1V1 + P2V2 +… + PnVJ/100 (2.11)

где р1, р2…р„ — плотность компонентов газового топлива, кг/м3; V1, V2…Vn — содержание компонентов, объем в %.

Величина, обратная плотности, называется удельным, или массовым, объемом Vyd и измеряется в кубических метрах на килограмм (м3/кг).

В практике часто, чтобы показать, на сколько 1 м3 газа легче или тяжелее 1 м3 воздуха, пользуются понятием «относительная плотность d» — отношение плотности газа к плотности воздуха:

d = р/1,293 или d = М/(22,4х1,293) (2.12-2.13)

• Главная
• Справочник
• Основные физико- химические законы и соотношения
• Объем, масса, плотность, удельный объем

Расчеты по химическим формулам с использованием объема грамм-молекулы газа

Зная, что объемы грамм-молекул газов при одинаковых условиях равны, легко высчитать объем любого количества газа, что иногда гораздо важнее, чем знание его веса.
Пример 1
. Какой объем займут 6 г водорода Н2 при нормальных условиях?

Дано:

6г Н2

Найти:

VH2 (л) ?

Решение:

Так как грамм-молекула любого газа, а значит, и водорода при нормальных условиях занимает объем 22,4 л, а 1 моль водорода Н2 — это 2 г, то 2 г Н2 занимают объем, равный (при нормальных условиях) 22,4 л, а 6 г Н2 займут объем х л. Составим пропорцию: 2 : 6 = 22,4 : х

x = (6 · 22,4) : 2 = 67,2 л.

Ответ: 6 г водорода при нормальных условиях занимают объем 67,2 л.

Пример 2

. Сколько весят 5,6 л двуокиси углерода СО2?

Дано:

5,6 л СО2

Найти:

РСО2 (г) ?

Решение:

Исходим снова из того, что грамм-молекула любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л и прежде всего высчитываем, чему равна грамм-молекула СО2. Она рав на:

22 + 16 · 2 = 44 гг

44 г СО2 занимают объем 22,4 л, а х г СО2 — объем 5,6 л. Составим и решим пропорцию:

44 : х = 22,4 : 5,6;

х = (44 · 5,6) : 22,4 = 11 г СО2

Ответ: 5,6 л двуокиси углерода весят 11 г.

■ 7. Рассчитайте, сколько весит 1 л следующих газов: (См. Ответ)

а) азота N2; б) аммиака NH3; в) хлора Сl2; г) окиси углерода СО.

8. Определите, какой объем займет 1 г каждого газа из перечислен- ных в вопросе 7. 9. Сколько весит 1 м3 газовой смеси, состоящей на 50% из хлора Сl2 и на 50% из кислорода 02? 10. Сколько весит смесь 2 л азота N2 и 3 л кислорода 02? 11. Вычислите вес 1 л воздуха, допуская, что он состоит на 79% из азота N2 и на 21% из кислорода О2. (См. Ответ)