Металл имеющий наибольшую плотность

Во всех сферах человеческой деятельности применяются изделия из металлов. Металлы в научном смысле представляют собой простые вещества, обладающие специфическими свойствами (металлическим блеском, ковкостью, высокой электропроводностью). В быту и на производстве часто используют их сплавы с другими элементами. Эти затвердевшие расплавы также обычно называют металлами.

Определение и использование плотности

Как известно, чтобы найти плотность вещества, его массу делят на объем. Плотность является физико-химической характеристикой вещества. Она постоянна. Материалы для промышленного производства должны соответствовать этому показателю. Для её обозначения принято использовать греческую букву ρ.

Плотность железа равна 7874 кг/м³, никеля — 8910 кг/м³, хрома — 7190 кг/м³, вольфрама — 19250 кг/м³. Конечно, это относится к твёрдым сплавам. В расплавленном состоянии веществам присущи другие характеристики.

В природе лишь некоторые металлы присутствуют в большом количестве. Удельный вес железа в земной коре 4,6%, алюминия — 8,9%, магния — 2,1%, титана — 0,63%. Металлы незаменимы в большинстве сфер человеческой деятельности. Их производство растёт год от года. Для удобства металлы разделены на группы.

Железо и его сплавы

Чёрными металлами принято называть стали и чугуны разных марок. Сплав железа и углерода считается сталью, если железа не менее 45%, а содержание углерода 0,1%—2,14%. Чугуны, соответственно, углерода содержат больше.

Для получения необходимых свойств сталям и сплавам их легируют (присаживают при переплаве легирующие добавки). Таким образом плавят заданные марки. Все марки металла строго соответствуют определённым техническим условиям. Свойства каждой марки регламентированы государственными стандартами.

В зависимости от состава плотность стали варьируется в диапазоне 7,6—8,8 (г/см³) в СГС или 7600—8800 (кг/м³) в СИ (это видно из таблицы 1). Конечно, сталь имеет сложную структуру, это не смесь различных веществ. Однако присутствие этих веществ и их соединений изменяют свойства, в частности, плотность. Поэтому самыми большими плотностями обладают быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама.

Цветные металлы и их сплавы

Изделия из бронзы, латуни, меди, алюминия широко применяются на производстве:

• Обычно бронзы это сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом и бериллием. Однако в бронзовом веке, когда удельный вес бронзы в общей массе металлических изделий составлял почти 100%, это были сплавы медь — мышьяк.
• Сплавы на основе цинка — латуни. В латуни может присутствовать олово, но его количество меньше, чем цинка. Чтобы получить сыпучую стружку, иногда добавляют свинец. Кроме ювелирных сплавов латуни и бронзы, они нужны для деталей машин и морских судов, скобяных изделий, пружин. Некоторые сорта применяют в авиации и ракетостроении.
• Дюралюминий (дюраль) — сплав алюминия с медью (меди 4,4%) — это высокопрочный сплав. Главным образом применяется в авиации.
• Титан по прочности превосходит многие марки стали. Одновременно он вдвое легче. Эти качества сделали его незаменимым в большинстве отраслей промышленности. А также он широко применяется в медицине (протезировании). Удельный вес титана в производстве летательных аппаратов достигает 70% от всего выплавляемого в мире. Около 15% титана идёт для химического машиностроения.
• Серебро и золото — первые металлы, с которыми познакомился человек. За всю историю существования человечества эти металлы, по большей части, шли на ювелирные изделия. И в настоящее время тенденция сохраняется.
• Вольфрам из-за высокой тугоплавкости незаменим в приборостроении. Большая плотность позволяет применять его, как защиту от радиации.
• Никель и хром образуют нихром — жаропрочный пластичный сплав, очень долговечный и надёжный.

Различные марки сталей и чугунов, бронз и других металлов имеют разный химический состав и разную плотность. Плотности всех востребованных материалов измерены и систематизированы. Таблицы, содержащие эти данные доступны пользователям. С их помощью можно легко найти массу изделия заданной формы.

Определение массы изделия

Все современные справочные материалы, ГОСТ и технические условия предприятий скорректированы в соответствии с международной классификацией.

Пользуясь справочными таблицами плотностей различных материалов, легко определить их массу. Это особенно актуально, когда предметы тяжёлые или отсутствуют соответствующие весы. Для этого требуется знать их геометрические параметры. Чаще всего узнать требуется массу предмета в форме цилиндра, трубы или параллелепипеда:

1. Металлические прутки имеют форму цилиндра. Зная диаметр и длину, легко узнать массу. Масса равна плотности, умноженной на объём. Находим объём предмета. Он получается умножением площади сечения на длину. Площадь круга, зная диаметр, определить несложно. Диаметр в квадрате умножается на 3,14 (число пи), делится на 4.
2. Массу трубы получаем аналогично. При нахождении площади берём разницу между внешним и внутренним диаметром сечения.
3. Чтобы определить массу листа, блюма, сляба или прутка прямоугольного сечения, определяем объём, перемножая длину, высоту и толщину. Умножаем на плотность из справочника.

При таких вычислениях всегда допускается маленькая погрешность, ведь формы не идеальны. На практике ей можно пренебречь. Производители металлоизделий разработали специальные калькуляторы вычисления массы для пользователей. Достаточно ввести уникальные размеры в соответствующие окна и получить результат.

Что такое удельный вес

Удельным весом называют плотность, умноженную на ускорение свободного падения (силу тяжести) или отношение веса тела к его объёму. Путать его с плотностью недопустимо. Однако часто это происходит из-за смешения понятий массы и веса. Вес тела, а следовательно и удельный вес, изменяется в зависимости от силы тяжести. Он не является постоянной величиной. В зависимости от места, где находится предмет, он имеет разные значения. Эта физическая величина будет разной даже в разных точках Земли. Ускорение свободного падения на экваторе больше, чем на полюсах. Масса и плотность постоянны.

К примеру, можно вычислить удельный вес серебра. На Земле эта величина будет составлять 10500 кг/м³ (плотность чистого металла). Умножив на 9,81м/с 2 (сила тяжести), можно получить 103005 Н/м³. А на Луне 10500 кг/м³ умножается на 1,62м/с 2 (сила тяжести на Луне). Результат уже другой — 17,01Н/м³. В кабине корабля, вращающегося вокруг Земли — невесомость, ускорение равно нулю. Следовательно, и вес любого материала здесь ноль.

Все значения будут разными. Самое большое значение будет в первом случае, потому что на Земле ускорение свободного падения имеет самое большое значение. В невесомости вещь не весит ничего. Плотность одного и того же материала в любом месте будет одинаковой. Она является константой.

Для того, чтобы составить таблицы удельного веса металлов на различных планетах (или в других условиях), необходимо знать ускорение свободного падения и плотность.

Перевозки изделий из металлов

В системе грузоперевозок задействовано такое понятие, как «объёмный вес». Если масса предмета в одном кубическом метре 167 кг, то такой вес считается физическим, а если меньше — объёмным. Например, масса куба стали углеродистой — 7750 кг. Другими словами, объёмный вес стали 7750 кг. Эти расчёты нужны, чтобы определить, какой объем займёт перевозимый груз.

Однако в зависимости от того, какие металлические изделия перевозятся, объем будет меняться. Предположим, что есть несколько различных метизов одной и той же марки стали. По идее, они обладают одинаковой плотностью. Однако слитки, крупносортные изделия и бунты проволоки обладают различным объёмом, а следовательно, при их перевозке займут больше или меньше места на транспорте. Таким образом, они обладают разным объёмным весом. При любых условиях кубометр стали больше 167 кг, следовательно, его не назовёшь объёмным.

Плотность
ρ = m V <displaystyle ho =<frac >>
Размерность	L −3 M
Единицы измерения
СИ	кг/м³
СГС	г/см³
Примечания
скалярная величина

Пло́тность — скалярная физическая величина, определяемая как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму [1] .

Для обозначения плотности обычно используется греческая буква ρ [ро] (происхождение обозначения подлежит уточнению), иногда используются также латинские буквы D и d (от лат. densitas «плотность»).

Более точное определение плотности требует уточнение формулировки:

• Средняя плотность тела — отношение массы тела к его объёму. Для однородного тела она также называется просто плотностью тела.
• Плотность вещества — это плотность однородного или равномерно неоднородного тела, состоящего из этого вещества.
• Плотность тела в точке — это предел отношения массы малой части тела ( Δ m <displaystyle Delta m>), содержащей эту точку, к объёму этой малой части ( Δ V <displaystyle Delta V>), когда этот объём стремится к нулю [2] , или, записывая кратко, lim Δ V → 0 Δ m / Δ V <displaystyle lim _<Delta V o 0><Delta m/Delta V>>. При таком предельном переходе необходимо помнить, что на атомарном уровне любое тело неоднородно, поэтому необходимо остановиться на объёме, соответствующем используемой физической модели.

Поскольку масса в теле может быть распределена неравномерно, более адекватная модель определяет плотность в каждой точке тела как производную массы по объёму. Если учитывать точечные массы, то плотность можно определить как меру, либо как производную Радона — Никодима по отношению к некоторой опорной мере.

Содержание

Виды плотности и единицы измерения [ править | править код ]

Исходя из определения плотности, её размерность представляет собой кг/м³ в СИ и г/см³ в системе СГС.

Для сыпучих и пористых тел различают:

• истинную плотность, определяемую без учёта пустот;
• удельную (кажущуюся) плотность, рассчитываемую как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму. Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины коэффициента пористости — доли объёма пустот в занимаемом объёме. Для сыпучих тел удельная плотность называется насыпно́й плотностью.

Формула нахождения плотности [ править | править код ]

Плотность (плотность однородного тела или средняя плотность неоднородного) находится по формуле:

ρ = m V , <displaystyle
ho =<frac >,>

где m — масса тела, V — его объём; формула является просто математической записью определения термина «плотность», данного выше.

• При вычислении плотности газов при нормальных условиях эта формула может быть записана и в виде:

ρ = M V m , <displaystyle
ho =<frac >>,>где М — молярная масса газа, V m <displaystyle V_>— молярный объём (при нормальных условиях приближённо равен 22,4 л/моль).

Плотность тела в точке записывается как

ρ = d m d V , <displaystyle
ho =<frac >,>

тогда масса неоднородного тела (тела с плотностью, зависящей от координат) рассчитывается как

m = ∫ ρ ( r ) d 3 r = ∫ ρ ( r ) d V = ∫ d m . <displaystyle m=int
ho (mathbf )d^<3>mathbf =int
ho (mathbf )dV=int dm.>

Зависимость плотности от температуры [ править | править код ]

Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются вещества, чья плотность в определённом диапазоне температур ведёт себя иначе, например, вода, бронза и чугун. Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 °C и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры относительно этого значения.

При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Вода, кремний, висмут и некоторые другие вещества являются исключениями из данного правила, так как их плотность при затвердевании уменьшается.

Диапазон плотностей в природе [ править | править код ]

Для различных природных объектов плотность меняется в очень широком диапазоне.

• Самую низкую плотность имеет межгалактическая среда (2·10 −31 —5·10 −31 кг/м³, без учёта тёмной материи) [3] .
• Плотность межзвёздной среды приблизительно равна 10 −23 —10 −21 кг/м³.
• Средняя плотность красных гигантов в пределах их фотосфер много меньше, чем у Солнца — из-за того, что их радиус в сотни раз больше при сравнимой массе.
• Плотность газообразного водорода (самого лёгкого газа) при нормальных условиях равна 0,0899 кг/м³.
• Плотность сухого воздуха при нормальных условиях составляет 1,293 кг/м³.
• Один из самых тяжёлых газов, гексафторид вольфрама, примерно в 10 раз тяжелее воздуха (12,9 кг/м³ при +20 °C)
• Жидкий водород при атмосферном давлении и температуре −253 °C имеет плотность 70 кг/м³.
• Плотность жидкого гелия при атмосферном давлении равна 130 кг/м³.
• Усреднённая плотность тела человека от 940—990 кг/м³ при полном вдохе, до 1010—1070 кг/м³ при полном выдохе.
• Плотность пресной воды при 4 °C 1000 кг/м³.
• Средняя плотность Солнца в пределах фотосферы около 1410 кг/м³, примерно в 1,4 раза выше плотности воды.
• Гранит имеет плотность 2600 кг/м³.
• Средняя плотность Земли равна 5520 кг/м³.
• Плотность железа равна 7874 кг/м³.
• Плотность металлического урана 19100 кг/м³.
• Плотность атомных ядер приблизительно 2·10 17 кг/м³.
• Теоретически верхняя граница плотности по современным физическим представлениям это планковская плотность 5,1⋅10 96 кг/м³.

Плотности астрономических объектов [ править | править код ]

• Средние плотности небесных тел Солнечной системы см. на врезке.
• Межпланетная среда в Солнечной системе достаточно неоднородна и может меняться во времени, её плотность в окрестностях Земли

10 −21 ÷10 −20 кг/м³.
Плотность межзвёздной среды

10 −23 ÷10 −21 кг/м³.

Плотность межгалактической среды 2×10 −34 ÷5×10 −34 кг/м³.

Средняя плотность красных гигантов на много порядков меньше из-за того, что их радиус в сотни раз больше, чем у Солнца.

Плотность белых карликов 10 8 ÷10 12 кг/м³

Плотность нейтронных звёзд имеет порядок 10 17 ÷10 18 кг/м³.

Средняя (по объёму под горизонтом событий) плотность чёрной дыры зависит от её массы и выражается формулой:

ρ = 3 c 6 32 π M 2 G 3 . <displaystyle
ho =<frac <3,c^<6>><32pi M^<2>G^<3>>>.>Средняя плотность падает обратно пропорционально квадрату массы чёрной дыры (ρ

M −2 ). Так, если чёрная дыра с массой порядка солнечной обладает плотностью около 10 19 кг/м³, превышающей ядерную плотность (2×10 17 кг/м³), то сверхмассивная чёрная дыра с массой в 10 9 солнечных масс (существование таких чёрных дыр предполагается в квазарах) обладает средней плотностью около 20 кг/м³, что существенно меньше плотности воды (1000 кг/м³).

Плотности некоторых газов [ править | править код ]

Плотность газов, кг/м³ при НУ.

Азот	1,250	Кислород	1,429
Аммиак	0,771	Криптон	3,743
Аргон	1,784	Ксенон	5,851
Водород	0,090	Метан	0,717
Водяной пар (100 °C)	0,598	Неон	0,900
Воздух	1,293	Радон	9,81
Гексафторид вольфрама	12,9	Углекислый газ	1,977
Гелий	0,178	Хлор	3,164
Дициан	2,38	Этилен	1,260

Для вычисления плотности произвольного идеального газа, находящегося в произвольных условиях, можно использовать формулу, выводящуюся из уравнения состояния идеального газа: [7]

ρ = p M R T <displaystyle
ho =<frac >> ,

• p <displaystyle p>— давление,
• M <displaystyle M>— молярная масса,
• R <displaystyle R>— универсальная газовая постоянная, равная приблизительно 8,314 Дж/(моль·К)
• T <displaystyle T>— термодинамическая температура.

Плотности некоторых жидкостей [ править | править код ]

Плотность жидкостей, кг/м³

Бензин	710	Молоко	1040
Вода (4 °C)	1000	Ртуть (0 °C)	13600
Керосин	820	Диэтиловый эфир	714
Глицерин	1260	Этанол	789
Морская вода	1030	Скипидар	860
Масло оливковое	920	Ацетон	792
Масло моторное	910	Серная кислота	1835
Нефть	550—1050	Жидкий водород (−253 °C)	70

Плотность некоторых пород древесины [ править | править код ]

Плотность древесины, г/см³

Бальса	0,15	Пихта сибирская	0,39
Секвойя вечнозелёная	0,41	Ель	0,45
Ива	0,46	Ольха	0,49
Осина	0,51	Сосна	0,52
Липа	0,53	Конский каштан	0,56
Каштан съедобный	0,59	Кипарис	0,60
Черёмуха	0,61	Лещина	0,63
Грецкий орех	0,64	Берёза	0,65
Вишня	0,66	Вяз гладкий	0,66
Лиственница	0,66	Клён полевой	0,67
Тиковое дерево	0,67	Бук	0,68
Груша	0,69	Дуб	0,69
Свитения (Махагони)	0,70	Платан	0,70
Жостер (крушина)	0,71	Тис	0,75
Ясень	0,75	Слива	0,80
Сирень	0,80	Боярышник	0,80
Пекан (кария)	0,83	Сандаловое дерево	0,90
Самшит	0,96	Эбеновое дерево	1,08
Квебрахо	1,21	Бакаут	1,28
Пробка	0,20

Плотность некоторых металлов [ править | править код ]

Значения плотности металлов могут изменяться в весьма широких пределах: от наименьшего значения у лития, который легче воды, до наибольшего значения у осмия, который тяжелее золота и платины.

Главной характеристикой влияющей на вес металла, является его плотность.

Что означает плотность металла?

Под плотностью металла, подразумевается его вес на единицу занимаемого объёма. Часто объём измеряют в метрах кубических и сантиметрах в кубе. Чем же обусловлены такие большие, по земным меркам, вес и плотность? Плотность металла и его вес, зависит от того, насколько мал радиус атома и велик при том его вес.

Плотность металлов таблица

Метал	г/см 3	кг/м 3	Метал	г/см 3	кг/м 3
Литий	0,534	534	Самарий	7,536	7536
Калий	0,87	870	Железо	7,87	7874
Натрий	0,968	9680	Гадолиний	7,895	7895
Рубидий	1,53	1530	Тербий	8,272	8272
Кальций	1,54	1540	Диспрозий	8,536	8536
Магний	1,74	1740	Ниобий	8,57	8570
Бериллий	1,845	1845	Кадмий	8,65	8650
Цезий	1,873	1873	Гольмий	8,803	8803
Кремний	2,33	2330	Никель	8,9	8900
Бор	2,34	2340	Кобальт	8,9	8900
Стронций	2,6	2600	Медь	8,94	8940
Алюминий	2,7	2700	Эрбий	9,051	9051
Скандий	2,99	2990	Тулий	9,332	9332
Барий	3,5	3500	Висмут	9,8	9800
Иттрий	4,472	4472	Лютеций	9,842	9842
Титан	4,54	4540	Молибден	10,22	10220
Селен	4,79	4790	Серебро	10,49	10490
Европий	5,259	5259	Свинец	11,34	11340
Германий	5,32	5320	Торий	11,66	11660
Мышьяк	5,727	5727	Таллий	11,85	11850
Галлий	5,907	5907	Палладий	12,02	12020
Ванадий	6,11	6110	Рутений	12,4	12400
Лантан	6,174	6174	Родий	12.44	12440
Теллур	6,25	6250	Гафний	13,29	13290
Цирконий	6,45	6450	Ртуть	13,55	13550
Церий	6,66	6660	Тантал	16,6	16600
Сурьма	6,68	6680	Уран	19,07	19070
Празеодим	6,782	6782	Вольфрам	19,3	19300
Иттербий	6,977	6977	Золото	19,32	19320
Неодим	7,004	7004	Плутоний	19,84	19840
Цинк	7,13	7130	Рений	21,02	21020
Хром	7,19	7190	Платина	21,40	21400
Олово	7,3	7300	Иридий	22,42	22420
Индий	7,31	7310	Осмий	22,5	22500
Марганец	7,44	7440

Из таблицы видно, что удельный вес куба металла, очень разнится. Разница в весе между самым тяжёлым и самым лёгким металлом — 42 раза. Осмий, вес которого равняется 22500 кг в м 3 и литий, имеющего наименьшую плотность, вес которого 534 кг в м 3 . Металл имеющий наибольшую плотность, так же имеет наибольший вес и им является осмий, как мы уже поняли.

Средняя плотность, среди всех металлов — 11,5 г на см в кубе.

Примечательно и то, что существуют металлы, плотность которых меньше воды. Таких несколько: литий, калий, натрий.

Для справки можно добавить, что осмий не только самый тяжёлый, но и самый редкий. Его добывают в районе 100 кг в год.

Плотность драгоценных металлов

К драгоценным металлам принято относить: серебро, золото, палладий, платина, рутений, родий, иридий, осмий. Плотность которых начинается от 10,49 г см 3 (серебро) и доходит до 22,5 см 3 (осмий). Уточнить вес прочих можно в таблице.