用電子天平測(cè)密度,簡單稱兩次重量就夠了嗎?
根據(jù)阿基米德定律:浸在流體中的物體(全部或部分)受到豎直向上的浮力,其大小等于物體所排開流體的重力,用電子天平測(cè)量密度的本質(zhì)就是稱量固體在空氣中的重量和在液體(如水、乙醇、或被測(cè)液體)中的重量,然后計(jì)算出密度。
那么,測(cè)量密度,只稱量兩次重量就夠了,真的如此簡單嗎?沒有什么因素需要考慮嗎?
首先,以測(cè)量固體為例,F(xiàn)浮力=ρ液體×g×V排開液體,而液體的密度取決于溫度。溫度每變化1℃,蒸餾水密度變化0.02%,乙醇和烴類密度變化0.1%。這將在測(cè)定的密度中影響到小數(shù)點(diǎn)后第三位。為修正溫度對(duì)密度的影響,需要用溫度計(jì)測(cè)量液體的溫度,并查表確定液體(蒸餾水和乙醇)在當(dāng)前溫度下的密度,并使用該密度值ρ液體進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。
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其次,將固體浸入在液體中時(shí),將排開一定量的液體, 該液體體積等于該固體的體積。排開液體將導(dǎo)致液面升高,使懸掛盤的連接線浸入更深并產(chǎn)生的額外浮力,該額外的浮力大小取決于浸入固體時(shí)液面上升的高度 “h”和連接線的直徑d,而液面上升的高度h與液體容器的直徑D有關(guān)。要提高密度測(cè)量的精確度就需要要考慮連接線的浮力,從確定的樣品浮力中減去浸入連接線產(chǎn)生的浮力,修正浮力如下:
A (修正) = [1 – 2 ·d²/D² ] · [W (a) – W (fl)]
當(dāng)需要同時(shí)考慮懸線引起的浮力和空氣浮力時(shí),固體密度計(jì)算公式為:
W (a) = 樣品在空氣中的重量
W (fl) = 樣品在液體中的重量
ρ(fl)=液體密度
ρ(a)=空氣密度(一個(gè)大氣壓下,空氣密度為0.0012克/立方厘米)
上述影響因素均可做系統(tǒng)誤差修正,在密度計(jì)算時(shí)輸入相應(yīng)的修正因子。此外,還有一些影響因素?zé)o法做系統(tǒng)修正,但測(cè)量時(shí)又必須考慮,如空氣氣泡。當(dāng)樣品在水中稱重時(shí),一個(gè)直徑為0.5mm的氣泡將產(chǎn)生約0.1mg的誤差。一個(gè)直徑為1mm的氣泡將產(chǎn)生約0.5mg的誤差。一個(gè)直徑為2mm的氣泡將產(chǎn)生一個(gè)約為4.2mg的誤差。如果被測(cè)樣品表面不光滑,有孔、槽、坑,浸入在液體中時(shí),在這些部位會(huì)產(chǎn)生大量氣泡附著在被測(cè)樣品表面,改變樣品在液體中受到的浮力,從而極大影響最終的密度結(jié)果。因此測(cè)量這類樣品時(shí)非常重要的工作就是除氣泡。除氣泡的方法大體有以下幾種:事先將樣品充分浸潤放在液體中;在液體中加入少量表面活性劑;用刷子或注射器打碎或抽干氣泡。操作過程中使用鑷子或是類似的工具將樣品直接放到托盤上,避免氣泡產(chǎn)生。
其他方面,諸如固體樣品本身較輕體積又大,稱量在空氣中的重量時(shí)要考慮空氣浮力的影響;在液體中稱重時(shí)要根據(jù)樣品在水中下沉或上浮趨勢(shì)選用凹型或凸型稱盤或換用乙醇做參考液體。這些都是測(cè)量密度時(shí)需要考慮的因素。
此外,天平可以測(cè)絕大多數(shù)固體和液體的密度,除了粉末及多孔材料。因?yàn)榉勰┎牧显谝后w中散開無法稱量其在液體中的重量,多孔材料浸入在液體中液體會(huì)進(jìn)入到孔內(nèi)部,致使排開水的體積不等于多孔材料的宏觀體積,因此這兩類材料無法用天平僅通過在空氣中和液體中兩次稱重測(cè)出密度。如果要測(cè),還需要用到比重瓶、恒溫水浴等其他外圍設(shè)備經(jīng)過更復(fù)雜的計(jì)算才能測(cè)出密度。
而這些問題都可以借助天平的附件,以及相應(yīng)的算法,修正系數(shù)得出準(zhǔn)確的密度測(cè)量結(jié)果。
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