Dichte ist in der Physik und Chemie eine intensive Materiemenge, die ausdrückt, wie viel Masse dieser Materie in einem bestimmten Volumen vorhanden ist. Diese physikalische Eigenschaft der Materie wird mit dem griechischen Buchstaben ρ bezeichnet.
Um die Dichte zu berechnen, wird diese Formel verwendet:
Wo,
-
m ist die Masse
-
V ist das Volumen
Im SI-System wird die Dichte in Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m3) ausgedrückt, es wird jedoch auch die ältere Einheit (des cgs-Systems) Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3) oder Kilogramm pro Kubikdezimeter verwendet.
Um das Volumen eines Objekts zu berechnen, können Sie das Tauchbad von Archimedes verwenden . Dabei wird das Objekt in einen Behälter mit einem Abschnitt mit einer einfach zu berechnenden Fläche eingetaucht und die Fläche mit dem Höhenunterschied der Wasseroberfläche multipliziert.
Die Dichte von destilliertem Wasser beträgt bei einem Druck von 1 atm und einer Temperatur von 4 °C 1000 Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³), also 1 kg pro Liter.
Wie wirken sich Druck und Temperatur auf die Dichte aus?
Die Dichte eines Stoffes wird normalerweise bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck tabellarisch angegeben, da sie von der Größe dieser intensiven Mengen abhängt.
Bei den meisten Stoffen nimmt das Volumen linear mit steigender Temperatur zu. Diese Temperaturabhängigkeit der Dichte drückt sich im Ausdehnungskoeffizienten eines Stoffes aus.
Eine Ausnahme von dieser Regel bildet unter anderem Wasser. Insbesondere bei niedrigeren Temperaturen zeigt der Ausdehnungskoeffizient von Wasser ein abweichendes Verhalten: Bei etwa 4 °C weist der Ausdehnungskoeffizient von Wasser ein Minimum auf.
Das Masse-Volumen-Verhältnis eines Stoffes nimmt bei höheren hydrostatischen Drücken im Allgemeinen linear zu. Diese Kompressibilität wird im Kompressionsmodul ausgedrückt. Der Kompressionsmodul steht in engem Zusammenhang mit der Elastizität eines Materials, die im Elastizitätsmodul ausgedrückt wird.
Wie variiert die Dichte zwischen Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen?
Die Dichte eines Stoffes unterscheidet sich je nach Aggregatzustand unter Standardbedingungen. Im Allgemeinen ist die Dichte eines Stoffes in der festen Phase größer als in der flüssigen Phase.
Andererseits ist die von Gasen unter Standardbedingungen viel niedriger als die von Flüssigkeiten und Feststoffen.
Gase
Ein Gas verhält sich im Allgemeinen wie ein ideales Gas, es sei denn, der Druck ist sehr hoch oder die Temperatur liegt weit unter der kritischen Temperatur des Gases. Für ein ideales Gas lässt sich die Dichte nach folgender Formel berechnen:
Wo:
-
M ist die Molmasse.
-
P ist der Druck.
-
R ist die Gaskonstante.
-
T ist die absolute Temperatur.
Flüssigkeiten und Feststoffe
Feststoffe mit offener Kristallstruktur haben eine relativ geringe Dichte als Feststoffe mit dichter Kristallstruktur, wie zum Beispiel Metalle und Legierungen.
Beim Schmelzen geht die Ordnung der kristallinen Struktur des Feststoffs verloren und die Kristallbindungen werden aufgebrochen. Dadurch vergrößert sich der durchschnittliche Abstand zwischen Atomen oder Molekülen, sodass sich die meisten Stoffe bei der Fusion ausdehnen. Daher nimmt die Dichte eines Stoffes während der Fusion normalerweise ab.
Arten von Dichten
Es gibt drei verschiedene Formen der Dichte: absolute, relative und scheinbare Dichte. Jede dieser Dichten hat ihren eigenen spezifischen Zweck und ihre eigene Anwendung, und zusammen bieten sie einen umfassenderen Überblick darüber, wie Materialien und Substanzen mit ihrer Masse und ihrem Volumen zusammenhängen.
Absolute Dichte
Die absolute Dichte ist das gleiche Konzept wie die Massendichte (ρ). Es stellt die Massemenge (m) dar, die in einem bestimmten Volumen (V) enthalten ist, und wird in Masseneinheiten pro Volumeneinheit gemessen, beispielsweise Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³).
Dies ist die Standarddichte, die in den meisten physikalischen und wissenschaftlichen Anwendungen verwendet wird.
Relative Dichte
Die relative Dichte, auch spezifisches Gewicht genannt, bezieht sich auf das Verhältnis der Dichte einer Substanz zur Dichte von Wasser (bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck).
Da Wasser als Referenz dient, hat die relative Dichte keine Einheit und wird als dimensionslose Zahl ausgedrückt. Wenn die relative Dichte kleiner als 1 ist, bedeutet dies, dass die Substanz weniger dicht als Wasser ist, und wenn sie größer als 1 ist, ist sie dichter.
Scheinbare Dichte
Die Schüttdichte wird im Zusammenhang mit körnigen Materialien, wie z. B. partikelförmigen Feststoffen oder Gemischen, verwendet. Es bezieht sich auf die Gesamtmasse eines Systems dividiert durch sein Gesamtvolumen, einschließlich der festen Partikel und der Leerräume zwischen ihnen.
Die scheinbare Dichte ist aufgrund des Vorhandenseins von Porosität und Hohlräumen normalerweise niedriger als die tatsächliche Dichte einzelner Feststoffe.
Beispiele für Dichten
Nachfolgend füge ich eine Tabelle mit Beispielen verschiedener Stoffe und deren Dichten bei:
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Substanz |
Dichte (g/cm³) |
Beschreibung |
|
Wasser (bei 25°C) |
1,00 |
Wasser ist ein alltäglicher, lebensnotwendiger Stoff. |
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Eisen |
7,87 |
Eisen ist ein dichtes Metall, das in der Industrie und im Baugewerbe verwendet wird. |
|
Gold |
19.32 |
Gold ist ein Edelmetall, das für seinen hohen Wert und seine Brillanz bekannt ist. |
|
Führen |
11.34 |
Blei ist ein Schwermetall, das in verschiedenen Anwendungen verwendet wird, beispielsweise in Batterien. |
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Luft (bei 0°C und 1 atm) |
0,001225 |
Luft ist ein Gasgemisch, das die Erde umgibt. |
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Aluminium |
2,70 |
Aluminium ist ein Leichtmetall und wird häufig in der Industrie und im Baugewerbe eingesetzt. |
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Eichenholz) |
0,75 - 0,95 |
Holz ist ein organisches Material, das im Bauwesen und bei der Möbelherstellung verwendet wird. |
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Helium (bei 0°C und 1 atm) |
0,0001785 |
Helium ist ein leichtes Gas, das in Ballons und kryogenen Anwendungen verwendet wird. |
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Diamant |
3.51 |
Diamant ist eine kristalline Form von Kohlenstoff und gehört zu den härtesten bekannten Substanzen. |
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Quecksilber |
13.53 |
Quecksilber ist bei Raumtemperatur ein flüssiges Metall, das in Thermometern und Messgeräten verwendet wird. |
| Olivenöl | 0,92 - 0,92 | Olivenöl ist eine natürliche Flüssigkeit, die häufig in der Küche und Gastronomie verwendet wird. |
Materialien, die als Kernbrennstoff verwendet werden
Nachfolgend füge ich die Dichte von Materialien bei, die in direktem Zusammenhang mit der Kernenergie stehen. Diese Materialien sind für verschiedene Anwendungen in der Nuklearindustrie und der Erzeugung elektrischer Energie in Kernkraftwerken unverzichtbar.
Diese Werte können je nach Form und Beschaffenheit des Materials variieren, es handelt sich also um Richtwerte.
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Substanz |
Dichte (g/cm³) |
Beschreibung |
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19.05 |
Uran ist ein Schwermetall, das als Brennstoff in Kernreaktoren zur Energieerzeugung verwendet wird. |
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19.86 |
Plutonium ist ein weiteres Material, das als Brennstoff in Kernreaktoren und Atomwaffen verwendet wird. |
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Abgereichertes Uran |
19.1 |
Abgereichertes Uran ist Uran, das eine verringerte Konzentration des spaltbaren Isotops U-235 aufweist und in militärischen und zivilen Anwendungen verwendet wird. |
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Tritium |
0,08 |
Tritium ist ein radioaktives Wasserstoffisotop, das in der Kernfusionsenergieerzeugung und in Beleuchtungsgeräten verwendet wird. |