Плътността е мярка, която сравнява количеството вещество в даден обект с неговия обем. Обект с много вещество в определен обем има висока плътност. Обект с малко вещество в същия обем има ниска плътност. Плътността се определя, като се раздели масата на обекта на неговия обем.
ρ = m V {\displaystyle \rho ={\frac {m}{V}}} 
където ρ е плътността, m е масата, а V е обемът.
Единици и размерности
SI-единицата за плътност е килограм на кубичен метър (kg/m³). Често срещана практична единица е грам на кубичен сантиметър (g/cm³). Връзката между тях е:
- 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
Размерността на плътността е маса, делена на обем (M · L⁻³). Често в инженерни сметки се използват и други единици (kg/L, g/mL и т.н.).
Често срещани стойности
- Вода (при 4 °C): ~1000 kg/m³ (1.00 g/cm³)
- Лед: ~917 kg/m³
- Въздух (при 1 atm и 15 °C): ~1.225 kg/m³
- Желязо: ~7870–7874 kg/m³
- Алуминий: ~2700 kg/m³
- Олово: ~11340 kg/m³
- Ртуть: ~13546 kg/m³
- Етанол: ~789 kg/m³
Посочените стойности са приблизителни и зависят от температурата и в някои случаи – от налягането и примесите.
Зависимост от температурата и налягането
Плътността на повечето вещества се променя с температурата: при нагряване веществата обикновено се разширяват и плътността им намалява. В газовете влиянието на температурата и налягането е особено силно и може да се описва чрез уравнението на идеалния газ. За газове при идеално поведение важи приблизително:
ρ ∝ p/T (плътността нараства с налягането и намалява с температурата).
Измерване на плътността
- За твърди тела с правилна геометрия: измерват се размерите за обем и масата на везна; ρ = m/V.
- За неправилни твърди тела: метод на изместване на течност (Архимедов метод) — V = V2 − V1, където V1 е началният обем на течността, V2 е обемът след потапяне.
- За течности: използват се мензурки/градуирани цилиндри и везна, пък и специализирани прибори като пикнометър (pycnometer) и хидрометър (hydrometer).
- За висока точност: цифрови плътномери с осцилаторна U-тръба (oscillating U-tube).
Връзка с плаваемостта
Относно плаваемостта: обект плава в дадена течност, ако неговата средна плътност е по-малка от плътността на течността; ако е по-голяма — потъва. Това е проявление на Архимедовия принцип и е важна връзка между плътността и силите върху тяло в флуид.
Относителна плътност (специфична тежест)
Относителната плътност (specific gravity) е отношението на плътността на веществото към плътността на референтно вещество (обикновено вода при 4 °C). Това е безразмерна величина:
relative density = ρ_substance / ρ_reference
Примери
- Ако масата m = 2.0 kg и обемът V = 0.5 m³, тогава ρ = m/V = 2.0 / 0.5 = 4.0 kg/m³.
- Куб с ръб 10 cm има V = (0.10 m)³ = 1.0·10⁻3 m³. Ако масата му е 2.7 kg, ρ = 2.7 / 1.0·10⁻3 = 2700 kg/m³ (типична плътност за алуминий).
Формули за преобразуване и използване
- Основна формула: ρ = m / V
- Обратни форми: m = ρ · V и V = m / ρ
- Преобразуване между единици: 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
Плътността е фундаментална физична характеристика с приложение в химията, материалознанието, инженерството, метеорологията и много други области. При работа с нея е важно да се посочват условията (температура и налягане), при които е измерена стойността.