Pycnometer for measuring the density of hard bodies Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018. Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018.

ПИКНОМЕТЪР ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕ ПЛЪТНОСТТА НА ТВЪРДИ

ТЕЛА

Димо Христозов, Иванка Влаева, Веселин Владев Университет по хранителни технологии, Пловдив

PYCNOMETER FOR MEASURING THE DENSITY OF HARD BODIES

Dimo Hristozov, Ivanka Vlaeva, Veselin Vladev University' of Food Technologies, Plovdiv, Bulgaria

Abstract

The classical pycnometers for measuring the density of hard bodies are made from glass, with difficulty manipulations at measuring and breakability of glass vessels. The proposed work describes a plastic pycnometer with high hardness, simple construction and manipulations, and enough accuracy of experimental results.

Key words: methods and devices for measuring the density of hard bodies, picnometers. Въведение

Физичната величина плътност р на едно тяло характеризира веществото, от което е направено това тяло и се дефинира с отношението

m

Р = —, (1)

V

където m е масата на изследваното тяло^-неговият обем. Така в системата SI р е с размерност g/cm3 или kg/m3. Плътността е важен показател за окачествяване на продукти и оформяне на тяхната цена. От формула (1) ясно се вижда, че плътността се определя след като са измерени масата m (с везна) и обемът V на тялото. Ако от това тяло е изработен образец, който да е с правилна форма, за която има формула за големината на обема, тогава могат да се измерят линейните размери на образеца, които влизат в тази формула за V. А когато тялото е с неправилна форма, за определяне на р се прилага пикнометричния метод-най-точния метод за плътност на твърдо тяло.

Физични основи на пикнометричния метод

Важна особеност на пикнометричния метод за определяне на р е, че както m, така и V се измерват с везна, като се използва стандартна течност- дестилирана вода, на която се знае плътността р0 при температурата на експеримента. Например при 18°C в таблици намираме, че р0 =0,9986 g/cm3 (почти 1 g/cm3). Отношението d=р/р0 се нарича относителна плътност на тялото (спрямо водата) и е безразмерна величина. А р се нарича абсолютна плътност на тялото.

Класическият пикнометър на Гей-Люсак се изготвя като малка стъклена колбичка със шлифована стъклена запушалка, която има тесен вертикален канал с белег-чертичка в горния край, до който се налива водата. За определяне на р се използва формулата (Ивероновой и др., 1962; Панчев и др., 2014)

т

Р =--Рс (2)

т + т1 - т2

В (2) т е масата на твърдото тяло, т1-масата на пикнометъра, изпълнен с дестилирана вода до белега на запушалката, т2-масата на пикнометъра с твърдото тяло и водата- пак до този белег. При вкарване на запушалката в тесния канал се осъществява затваряне на пикнометъра без въздушни мехурчета в него. Преди теглене с везната пикнометърът отвън старателно се подсушава с филтърна хартия.

Формула (2) дава така наречената непоправена плътност- в получената р не се отчита загубата на тегло във въздуха по закона на Архимед. В (Ивероновой и др., 1962; Панчев и др., 2014) има и по-точна формула, която отчита това обстоятелство. От (2) за относителната грешка Ар/р се получава

Ар Ат 3Ат

— = — +-, (3)

р т т + т1 - т2

където Ат е абсолютната грешка на електронната везна (половината от най-малкото деление по скалата), дадена в паспорта на везната.

В (Ивероновой и др., 1962) е направен критичен анализ на пикнометъра на Гей-Люсак и е отбелязано, че възможността за изпарение на дестилираната вода от отворения отгоре край от канала на запушалката, е недостатък на този пикнометър. Освен това, с тънки изрезки от филтърна хартия се правят нелеки манипулации за довеждане на водата до белега на запушалката. Чупливостта на стъклото също може да бъде прието като недостатък, но положителното качество на стъклото е неговата слаба химическа активност към течности. Но днес вече има полимерни материали, които са с по-добри качества от стъклото: нечупливи, по-леки, също прозрачни и неактивни към течности.

Пластмасов пикнометър

Ние създадохме пикнометър от лек, прозрачен, пластмасов материал с плътност по-малка от тази на водата. Състои се от цилиндричен съд К (шише) и капачка L (Фиг.1а,б). В горния край на К е начертана външната резба, а в L-вътрешната резба. В L има цилиндрична кухина I, която е изпълнена със специално еластично уплътнение. Вместо със запушалка, както в пикнометъра на Гей-Люсак, в пластмасовия пикнометър затварянето без въздушни мехурчета става чрез завиване на L по външната резба на К. При това завиване уплътнението I леко навлиза в горната част- устата на К и изтласква навън изплавали мехурчета въздух с вода.

През прозрачните стени на пикнометъра визуално се следи дали в напълнения К има още мехурчета. Ако такива има, след незначително доливане на вода пикнометърът отново се затваря. Формули (2) и (3) са в сила и за пластмасовия пикнометър. Като цилиндричен съд може да се използва този, в който се продава етилов спирт 100 т1 в аптечната мрежа.

к

Фиг.1.

Удобно е резултатите от претеглянето с везна и получената стойност за р да се подреждат съгласно Таблица 1.

Таблица 1.

т т1 т2 т+ т1- т2 т Р= Ро т + т1 - т2

ё ё ё ё ё/ст2

Експериментални резултати

В Таблица 2 са поместени експериментални резултати за относителната плътност d=р/рo на различни тела, получени с пластмасовия пикнометър.

Таблица 2.Относителна плътност d на тежки ^ ^>1) и леки (d<1) тела.

Вещество d=p/po

Желязо 7,86

Алуминий 2,46

Стъкло прозоречно 2,18

Сирене"Апина" 1,12

Дърво от липа 0,47

Корк 0,31

Сърцевина от стебло на слънчоглед 0,08

Стиропор 0,02

Данните за химичните елементи Fe, А1 и стъклото съвпадат с известните. За сърцевината в стъблото на слънчоглед е получена d=0,08 - една от най-малките плътности на природен продукт. А d на изкуствения материал стиропор (той е лек и плаващ, а поради своите изолационни свойства и плаваемост има различни приложения - в строителни материали, изолирани обшивки и изолации) е още по-малка, d=0,02. Материалите с малка плътност, наричани още леки материали, са много нужни в авиокосмонавтиката, в автомобилната и

съдостроителната промишленост, в спорта, бита и т.н. С така наречените пеноматериали (с въздух в тях) е достигната относителна плътност около d~0,001 (Разумовская и др., 2017). Следва да отбележим, че за милиони години еволюция костите на летателните птици са станали подобни на нашите изкуствени пеноматериали-порести, леки, но достатъчно здрави.

Накрая ще обърнем внимание на един много сериозен въпрос, свързан с окачествяването на материалите чрез определянето на тяхната плътност. Олекотяването, например на автомобилите чрез влагане в техните устройства на леки материали, води до икономия на гориво. А това е не само енергиен, но и екологичен проблем (опазване на природната среда).

Заключение

Описаният цилиндричен пластмасов пикнометър е с опростено, леко, евтино и достъпно устройство, с лесни операции при измерване с него. Всеки прозрачен цилиндричен съд с винтова капачка, която е преобразувана, както е обяснено в настоящата работа, може да се използва и като пикнометър.

References

1.В.И.Ивероновой, Физический практикум, Государственное издателство физико-математической литературы, Москва.1962,с.69.

2.Иван Панчев, Димо Христозов и др. Академично издание на Университета по хранителни технологии, Пловдив, България, 2014, с.45.

3.И.В.Разумовская, Н.В.Шаромова, Е.А.Мишина, Материалы с малой платностью,сп. Физика в школе, кн.1, 2017, с.16.