Зміст
Лід плаває у склянці, олія тримається на поверхні супу, а камінь тоне. За всім цим стоїть одна фізична властивість — густина. Для води вона не є постійною: змінюється залежно від температури, складу і тиску.
У цій статті — точні значення густини води в різних одиницях, таблиця при різних температурах і порівняння прісної, морської та дистильованої води.
Що таке густина води і як її визначають
Густина — це фізична величина, яка показує, яка маса речовини міститься в одиниці об’єму. Позначається літерою ρ (ро) і визначається за формулою:
ρ = m / V
де m — маса, V — об’єм.
Для води використовують кілька рівнозначних одиниць вимірювання:
- Г/см³ — грам на кубічний сантиметр.
- Г/мл — грам на мілілітр (те саме, що г/см³).
- Кг/м³ — кілограм на кубічний метр.
- Кг/л — кілограм на літр.
Між ними простий зв’язок: 1 г/см³ = 1 г/мл = 1 кг/л = 1000 кг/м³. Тому густина води 1 г/см³ і 1000 кг/м³ — це одне й те саме значення, просто в різних одиницях.
За стандартних умов густині води дорівнює 1000 кг/м³. Але це значення справедливе лише при певній температурі — і тут починається найцікавіше.
Від чого залежить густина води
Вплив температури
Більшість речовин при охолодженні стискаються і стають важчими. Вода поводиться інакше — і в цьому її унікальність.
При охолодженні від 100°C до +4°C густина води зростає — це звична поведінка. Але від +4°C до 0°C вона починає зменшуватися, хоча вода ще рідка. Такої залежності немає в жодної іншої звичайної рідини.
Найбільша густина води досягається при температурі +4°C і дорівнює рівно 1000 кг/м³ (1 г/см³). Вище і нижче цієї точки — значення падає.
Цікава деталь: залежність між температурою і густиною двозначна. Наприклад, вода має однакову густину при +30°C і при +50°C. Тобто за одним числом ρ неможливо однозначно визначити температуру — потрібен додатковий контекст.
Практичний приклад: саме через розширення при замерзанні труби з водою лопаються взимку. Вода при переході в лід збільшується в об’ємі приблизно на 9% — і тиск на стінки труби може сягати 2500 кг/см².
Нижче наведено точні значення густини води при різних температурах:
| Температура, °C | Густина, кг/м³ | Густина, г/см³ |
|---|---|---|
| 0 | 999,84 | 0,99984 |
| +4 | 1000,00 | 1,00000 |
| +20 | 998,23 | 0,99823 |
| +40 | 992,22 | 0,99222 |
| +60 | 983,20 | 0,98320 |
| +80 | 971,82 | 0,97182 |
| +100 | 958,37 | 0,95837 |
Ця таблиця густини води при різних температурах показує: чим гарячіша вода, тим вона легша. При кипінні (100°C) густині рідкої води становить лише ~958 кг/м³ — майже на 42 кг/м³ менше, ніж при +4°C.
Вплив солоності і тиску
Розчинені солі збільшують масу води без суттєвої зміни об’єму — тому густині солоної води вища за прісну. Чим більше солей, тим важча вода.
Тиск теж підвищує густину, але в звичайних умовах цей ефект незначний. Він стає помітним лише на великих океанських глибинах.
Є цікаве явище — «мертва вода». Воно виникає, коли над шаром важкої солоної води лежить тонкий шар легкої прісної. Судно, що рухається через таку зону, витрачає значно більше енергії: корабельні хвилі поглинаються межею між шарами, а швидкість різко падає.
Густина морської води
Густина морської води коливається в межах від 1020 до 1030 кг/м³ — залежно від солоності, температури і глибини. Середня солоність морської води становить близько 35‰, а температура замерзання — −1,9°C.
Вода в різних морях має різну густину. Це пов’язано з відмінностями в солоності та температурі:
| Море | Густина, кг/м³ |
|---|---|
| Балтійське | 1006,6 |
| Чорне | 1013,5 |
| Мармурове | 1017,0 |
| Середземне | 1020,9 |
| Північне | 1026,4 |
Найбільшою густина води в океані є у полярних і приполярних широтах. Там вода холодніша і солоніша — обидва чинники підвищують густину. Від екватора до 50‒60° широти умовна густина зростає з 22‒23 до 26‒27 кг/м³.
Взимку поверхнева морська вода охолоджується, стає важчою і опускається вниз. Це перемішує шари океану і переносить тепло — саме так морські течії пом’якшують клімат у прибережних регіонах.
Густина дистильованої та прісної води
Дистильована вода — це вода без будь-яких домішок і розчинених солей. Її отримують шляхом випаровування і конденсації, і саме вона є еталоном для порівняння густини інших рідин.
Чому дорівнює густина дистильованої води: при +4°C — 999,97 кг/м³, при +20°C — 998,20 кг/м³. Різниця з «ідеальними» 1000 кг/м³ мінімальна, але в точних розрахунках і лабораторній роботі вона має значення.
Прісна вода у річках і озерах містить невелику кількість мінеральних речовин. Тому її реальна густина прісної води трохи відхиляється від еталону — але в більшості практичних задач її приймають рівною 1000 кг/м³.
Точне значення густини дистильованої води важливе у хімії, фармацевтиці та медицині — там, де будь-яке відхилення в складі рідини впливає на результат.
Густина льоду та інших речовин відносно води
Густина води у твердому стані (тобто льоду) становить близько 900 кг/м³ — приблизно на 9% менше, ніж у рідкої. Саме тому лід плаває на поверхні, а не тоне. Це аномалія: у більшості речовин тверда форма важча за рідку.
Ця властивість має величезне значення для живої природи. Водойми замерзають зверху, а не знизу — і підо льодом зберігається рідка вода, де взимку виживають риби та інші організми.
Речовини, густини яких менша за густину води і які тому плавають на поверхні:
- олія соняшникова — ~930 кг/м³;
- дерево (залежно від породи) — 400‒800 кг/м³;
- лід — ~900 кг/м³;
- деякі види пластику — 850‒950 кг/м³.
Речовини, важчі за воду:
- бетон — ~2300 кг/м³;
- скло — ~2500 кг/м³;
- залізо — ~7874 кг/м³;
- мідь — ~8900 кг/м³.
Густина олії менша за густину води — саме тому жир завжди спливає на поверхню при приготуванні бульйону. Це не кулінарна деталь, а пряме підтвердження фізичного закону.
Густина води — не фіксована константа, а величина, що постійно змінюється під впливом температури, розчинених речовин і тиску. При +4°C прісна вода має максимальну густину 1000 кг/м³, морська — від 1020 до 1030 кг/м³, а лід — лише ~900 кг/м³. Ці відмінності визначають і поведінку природних водойм, і результати точних лабораторних вимірювань.
