Gravitație specifică - Specific gravity

Gravitație specifică
Simboluri comune	SG
Unitate SI	fără unități
Derivări din alte cantități	${\ displaystyle SG _ {\ text {true}} = {\ frac {\ rho _ {\ text {sample}}} {\ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O}}}}}$

Gravitatea specifică este raportul dintre densitatea unei substanțe și densitatea unei substanțe de referință; în mod echivalent, este raportul dintre masa unei substanțe și masa unei substanțe de referință pentru același volum dat. Gravitatea specifică aparentă este raportul dintre greutatea unui volum a substanței și greutatea unui volum egal al substanței de referință. Substanța de referință pentru lichide este aproape întotdeauna apa la cea mai densă (la 4 ° C sau 39,2 ° F); pentru gaze este aer la temperatura camerei (20 ° C sau 68 ° F). Cu toate acestea, temperatura și presiunea trebuie specificate atât pentru eșantion, cât și pentru referință. Presiunea este aproape întotdeauna de 1  atm (101.325 kPa).

Un avion al Marinei Aeronautice a Marinei Aviației Boatswain testează gravitatea specifică a combustibilului JP-5

Temperaturile atât pentru probă, cât și pentru referință variază de la industrie la industrie. În fabricarea berii britanice, practica pentru gravitație specifică, așa cum este specificat mai sus, este înmulțirea cu 1.000. Greutate specifica este frecvent utilizat în industrie ca un simplu mijloc de obținere a informațiilor cu privire la concentrarea soluțiilor de diferite materiale , cum ar fi saramuri, hidrocarburi, antigel, agenți de răcire soluții de zahăr (siropuri, sucuri, miere, berari must , mustul , etc.) și acizi ..

Detalii

Fiind un raport dintre densități, gravitația specifică este o cantitate fără dimensiuni . Motivul pentru care greutatea specifică este lipsită de dimensiune este de a oferi o consistență globală între SUA și Sistemele Metrice, deoarece se pot folosi diferite unități pentru densitate, cum ar fi kilogramele pe metri cubi sau grame pe centimetru cub, etc. ; referința și eșantionul trebuie comparate la aceeași temperatură și presiune sau trebuie corectate la o temperatură și presiune standard. Substanțele cu o greutate specifică de 1 sunt neutre în apă. Cei cu SG mai mare de 1 sunt mai densi decât apa și, fără a ține seama de efectele de tensiune superficială , se vor scufunda în ea. Cei cu un SG mai mic de 1 sunt mai puțin densi decât apa și vor pluti pe ea. În lucrările științifice, relația dintre masă și volum este de obicei exprimată direct în termeni de densitate (masă pe unitate de volum) a substanței studiate. Este în industrie unde gravitația specifică găsește o aplicare largă, adesea din motive istorice.

Adevărata gravitație specifică poate fi exprimată matematic ca:

${\ displaystyle SG _ {\ text {true}} = {\ frac {\ rho _ {\ text {sample}}} {\ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O}}}}}$

unde ρ _eșantion este densitatea eșantionului și ρ _{H 2 O} este densitatea apei.

Gravitatea specifică aparentă este pur și simplu raportul dintre greutățile volumelor egale de probă și apă în aer:

${\ displaystyle SG _ {\ text {apparent}} = {\ frac {W _ {\ mathrm {A}, {\ text {sample}}}} {W _ {\ mathrm {A}, \ mathrm {H_ {2} O }}}}}}$

unde W _{A, eșantionul} reprezintă greutatea eșantionului măsurat în aer și W _{A, H 2 O} greutatea apei măsurate în aer.

Se poate demonstra că adevărata gravitație specifică poate fi calculată din diferite proprietăți:

${\ displaystyle SG _ {\ text {true}} = {\ frac {\ rho _ {\ text {sample}}} {\ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O}}}} = {\ frac {\ frac {m _ {\ text {sample}}} {V}} {\ frac {m _ {\ mathrm {H_ {2} O}}} {V}}} = {\ frac {m _ {\ text {sample}} } {m _ {\ mathrm {H_ {2} O}}}} {\ frac {g} {g}} = {\ frac {W _ {\ mathrm {V}, {\ text {sample}}}} {W_ {\ mathrm {V}, \ mathrm {H_ {2} O}}}}}}$

unde g este accelerația locală datorată gravitației, V este volumul probei și al apei (aceeași pentru ambele), ρ _eșantion este densitatea eșantionului, ρ _{H 2 O} este densitatea apei și W _V reprezintă a greutatea obținută în vid.

Densitatea apei variază în funcție de temperatură și presiune, la fel ca și densitatea eșantionului. Deci este necesar să se specifice temperaturile și presiunile la care au fost determinate densitățile sau greutățile. Este aproape întotdeauna cazul în care măsurătorile se fac la 1 atmosferă nominală (101.325 kPa ± variații în funcție de schimbarea tiparelor meteorologice). Dar, cum gravitația specifică se referă de obicei la soluții apoase extrem de incompresibile sau alte substanțe incompresibile (cum ar fi produsele petroliere), variațiile densității cauzate de presiune sunt de obicei neglijate cel puțin atunci când se măsoară gravitația specifică aparentă. Pentru calculele gravitaționale adevărate ( in vacuo ), trebuie luată în considerare presiunea aerului (vezi mai jos). Temperaturile sunt specificate prin notația ( T _s / T _r ), T _s reprezentând temperatura la care a fost determinată densitatea eșantionului și T _r temperatura la care este specificată densitatea de referință (apă). De exemplu, SG (20 ° C / 4 ° C) ar înțelege că înseamnă că densitatea eșantionului a fost determinată la 20 ° C și a apei la 4 ° C. Luând în considerare diferitele temperaturi de probă și de referință, observăm că, în timp ce SG _{H 2 O} = 7000100000000000000 ♠1.000 000 (20 ° C / 20 ° C), este de asemenea cazul în care SG _{H 2 O} = ^{6999998203000000000 ♠0,998 203} / _{6999999840000000000 ♠0.999 840} = 6999998363000000000 ♠0,998 363 (20 ° C / 4 ° C). Aici, temperatura este specificată folosind scala ITS-90 curentă , iar densitățile utilizate aici și în restul acestui articol se bazează pe acea scară. Pe scara anterioară IPTS-68, densitățile la 20 ° C și 4 ° C sunt 6999998207100000000 ♠0,998 2071 și respectiv 6999999972000000000 ♠0,999 9720 , rezultând o valoare SG (20 ° C / 4 ° C) pentru apă de 6999998234300000000 ♠0,998 2343 .

Întrucât utilizarea principală a măsurătorilor specifice ale gravitației în industrie este determinarea concentrațiilor de substanțe în soluții apoase și întrucât acestea se regăsesc în tabelele de SG versus concentrație, este extrem de important ca analistul să intre în tabel cu forma corectă de gravitație specifică. De exemplu, în industria berii, tabelul Platon listează concentrația de zaharoză în greutate față de SG adevărat și a fost inițial (20 ° C / 4 ° C) adică pe baza măsurătorilor densității soluțiilor de zaharoză realizate la temperatura de laborator (20 ° C ) dar se face referire la densitatea apei la 4 ° C, care este foarte aproape de temperatura la care apa are densitatea maximă ρ _{H 2 O} egală cu 999,972 kg / m ³ în unități SI ( 6999999972000000000 ♠0,999 972  g / cm ³ în unități cgs sau 62.43 lb / cu ft în unitățile obișnuite din Statele Unite ). ASBC Tabelul utilizat în prezent în America de Nord, în timp ce este derivat din masa originală Plato este pentru măsurătorile specifice de gravitate aparentă la (20 ° C / 20 ° C) pe IPTS-68 scara unde densitatea apei este 6999998207100000000 ♠0,998 2,071  g / cm ³ . În zahăr, băuturi răcoritoare, miere, suc de fructe și industrii conexe concentrația de zaharoză în greutate este prelevată dintr-un tabel pregătit de A. Brix care folosește SG (17,5 ° C / 17,5 ° C). Ca exemplu final, unitățile SG britanice se bazează pe temperaturi de referință și probă de 60 ° F și sunt astfel (15,56 ° C / 15,56 ° C).

Având în vedere gravitatea specifică a unei substanțe, densitatea ei reală poate fi calculată prin rearanjarea formulei de mai sus:

${\ displaystyle {\ rho _ {\ text {substance}}} = SG \ times \ rho _ {\ mathrm {H_ {2} O}}.}$

Ocazional este specificată o substanță de referință în afară de apă (de exemplu, aer), caz în care gravitația specifică înseamnă densitatea în raport cu acea referință.

Măsurare: gravitate specifică aparentă și adevărată

picnometru

Greutatea specifică poate fi măsurată în mai multe moduri valorice. Următoarea ilustrație care implică utilizarea picnometrului este instructivă. Un picnometru este pur și simplu o sticlă care poate fi umplut cu precizie într - o anumită, dar nu neapărat cunoscută cu exactitate volumul, V . Amplasat pe un fel de echilibru va exercita o forță.

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {b}} = g \ left (m _ {\ mathrm {b}} - \ rho _ {\ mathrm {a}} {\ frac {m _ {\ mathrm {b}}} {\ rho _ {\ mathrm {b}}}} \ right)}$

unde m _b este masa sticlei și g accelerația gravitațională la locul în care măsurătorile sunt făcute. ρ _a este densitatea aerului la presiune ambientală și ρ _b este densitatea materialului din care este fabricată sticla (de obicei sticlă), astfel încât al doilea termen este masa de aer deplasată de sticla sticlei a cărei greutate, prin Arhimede Principiul trebuie scăzut. Sticla este umplută cu aer, dar, deoarece aerul deplasează o cantitate egală de aer, greutatea aerului este anulată de greutatea aerului deplasat. Acum umplem sticla cu lichidul de referință, de exemplu apă pură. Forța exercitată pe panoul echilibrului devine:

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {w}} = g \ left (m _ {\ mathrm {b}} - \ rho _ {\ mathrm {a}} {\ frac {m _ {\ mathrm {b}}} {\ rho _ {\ mathrm {b}}}} + V \ rho _ {\ mathrm {w}} -V \ rho _ {\ mathrm {a}} \ right).}$

Dacă scădem forța măsurată pe sticla goală din aceasta (sau tăiem balanța înainte de a face măsurarea apei) obținem.

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {w, n}} = gV (\ rho _ {\ mathrm {w}} - \ rho _ {\ mathrm {a}})}$

unde indicatorul n indică faptul că această forță este netă din forța sticlei goale. Sticla este acum golită, uscată complet și reumplută cu proba. Forța, netă a sticlei goale, este acum:

${\ displaystyle F _ {\ mathrm {s, n}} = gV (\ rho _ {\ mathrm {s}} - \ rho _ {\ mathrm {a}})}$

unde ρ _s este densitatea eșantionului. Raportul forței de probă și apă este:

${\ displaystyle SG _ {\ mathrm {A}} = {\ frac {gV (\ rho _ {\ mathrm {s}} - \ rho _ {\ mathrm {a}})} {gV (\ rho _ {\ mathrm {w}} - \ rho _ {\ mathrm {a}})}} = {\ frac {\ rho _ {\ mathrm {s}} - \ rho _ {\ mathrm {a}}} {\ rho _ { \ mathrm {w}} - \ rho _ {\ mathrm {a}}}}.}$

Aceasta se numește gravitatea specifică aparentă, notată prin subscripția A, deoarece este ceea ce am obține dacă am lua raportul dintre cântărirea netă în aer dintr-un bilanț analitic sau am folosi un hidrometru (tulpina deplasează aerul). Rețineți că rezultatul nu depinde de calibrarea bilanțului. Singura cerință este ca acesta să citească liniar cu forța. Nici SG _A nu depinde de volumul real al picnometrului.

O manipulare suplimentară și în sfârșit înlocuirea SG _V , adevărata gravitație specifică (subscriptul V este folosit deoarece aceasta este adesea denumită gravitatea specifică în vid ), pentruρ _s/ρ _w confera relatia dintre gravitatea specifica aparenta si adevarata.

${\ displaystyle SG _ {\ mathrm {A}} = {\ frac {{\ frac {\ rho _ {\ mathrm {s}}} {\ rho _ {\ mathrm {w}}}} - {\ frac {\ rho _ {\ mathrm {a}}} {\ rho _ {\ mathrm {w}}}}} {1 - {\ frac {\ rho _ {\ mathrm {a}}} {\ rho _ {\ mathrm { w}}}}}}} = {\ frac {SG _ {\ mathrm {V}} - {\ frac {\ rho _ {\ mathrm {a}}} {\ rho _ {\ mathrm {w}}}}} {1 - {\ frac {\ rho _ {\ mathrm {a}}} {\ rho _ {\ mathrm {w}}}}}}}$

În cazul obișnuit vom avea greutăți măsurate și dorim adevărata gravitate specifică. Acest lucru este găsit din

${\ displaystyle SG _ {\ mathrm {V}} = SG _ {\ mathrm {A}} - {\ frac {\ rho _ {\ mathrm {a}}} {\ rho _ {\ mathrm {w}}}} \ spre stânga (SG _ {\ mathrm {A}} -1 \ right).}$

Întrucât densitatea aerului uscat la 101.325 kPa la 20 ° C este de 6997120499999999999 ♠0,001 205  g / cm ^3, iar cea a apei este 6999998203000000000 ♠0,998 203  g / cm ³ , diferența dintre gravitațiile specifice adevărate și aparente pentru o substanță cu gravitație specifică (20 ° C / 20 ° C) de aproximativ 1.100 ar fi 6996120000000000000 ♠0.000 120 . În cazul în care gravitația specifică a eșantionului este apropiată de cea a apei (de exemplu, soluții de etanol diluate), corecția este și mai mică.

Contoare digitale de densitate

Instrumente pe bază de presiune hidrostatică 

Această tehnologie se bazează pe principiul lui Pascal care afirmă că diferența de presiune dintre două puncte dintr-o coloană verticală de fluid depinde de distanța verticală dintre cele două puncte, de densitatea fluidului și de forța gravitațională. Această tehnologie este adesea folosită pentru aplicațiile de calibrare a rezervoarelor ca mijloc convenabil de măsurare a nivelului și densității lichidului.

Traductoare cu elemente vibrante 

Acest tip de instrument necesită un element vibrator pentru a fi pus în contact cu fluidul de interes. Frecvența rezonantă a elementului este măsurată și este legată de densitatea fluidului printr-o caracterizare care depinde de proiectarea elementului. În laboratoarele moderne se efectuează măsurători precise ale gravitației specifice folosind contoarele de tuburi U. Acestea sunt capabile să măsoare până la 5 până la 6 locuri dincolo de punctul zecimal și sunt utilizate în industria berii, distilarea, industria farmaceutică, petrolul și alte industrii. Instrumentele măsoară masa reală a fluidului conținut într-un volum fix la temperaturi cuprinse între 0 și 80 ° C, dar pe baza microprocesorului pot calcula gravitatea specifică aparentă sau adevărată și pot conține tabele referitoare la punctele tari ale acizilor comuni, soluțiilor de zahăr etc. Sonda de imersie a furcii vibrante este un alt exemplu bun al acestei tehnologii. Această tehnologie include, de asemenea, multe contoare de masă de tip coriolis, care sunt utilizate pe scară largă în industria chimică și petrolieră pentru măsurarea debitului de masă cu o precizie ridicată și pot fi configurate pentru a emite informații despre densitate bazate pe frecvența rezonantă a tuburilor cu flux vibrator.

Traductor cu ultrasunete 

Undele cu ultrasunete sunt trecute de la o sursă, prin fluidul de interes și într-un detector care măsoară spectroscopia acustică a undelor. Proprietățile de fluide precum densitatea și vâscozitatea pot fi deduse din spectru.

Radiometru bazat pe radiații 

Radiația este transmisă dintr-o sursă, prin fluidul de interes și într-un detector de scintilație sau contor. Pe măsură ce densitatea fluidului crește, radiațiile detectate vor „scădea”. Sursa este de obicei izotopul radioactiv cesiu-137 , cu un timp de înjumătățire de aproximativ 30 de ani. Un avantaj esențial al acestei tehnologii este că instrumentul nu este obligat să fie în contact cu fluidul - de obicei sursa și detectorul sunt montate pe exteriorul rezervoarelor sau conductelor. .

Traductor de forță remarcabil 

Forța de flotabilitate produsă de un plutitor într-un lichid omogen este egală cu greutatea lichidului care este deplasat de plutitor. Întrucât forța de flotabilitate este liniară în ceea ce privește densitatea lichidului în care este scufundat plutitorul, măsura forței de flotabilitate produce o măsură a densității lichidului. O unitate comercială care susține că instrumentul este capabil să măsoare gravitația specifică cu o precizie de ± 0,005 unități SG. Capul de sondă submersibilă conține un sistem plutitor cu arcuri caracterizat matematic. Când capul este cufundat vertical în lichid, plutitorul se mișcă vertical și poziția plutitorului controlează poziția unui magnet permanent a cărui deplasare este sesizată de o serie concentrică de senzori de deplasare liniară cu efect Hall. Semnalele de ieșire ale senzorilor sunt amestecate într-un modul electronic dedicat care furnizează o tensiune de ieșire a cărei magnitudine este o măsură liniară directă a cantității de măsurat.

Măsurare continuă în linie 

Suspensia este cântărită pe măsură ce trece prin secțiunea contorizată a conductei folosind o celulă de încărcare brevetată, de înaltă rezoluție. Această secțiune a conductei are o lungime optimă astfel încât poate fi determinată o masă cu adevărat reprezentativă a nămolului. Această masă reprezentativă este apoi interogată de celula de sarcină de 110 ori pe secundă pentru a asigura măsurarea exactă și repetabilă a suspensiei.

Exemple

• Gazul de heliu are o densitate de 0,164 g / L; este de 0,139 ori mai dens decât aerul .
• Aerul are o densitate de 1,18 g / L.

(Probele pot varia, iar aceste cifre sunt aproximative.)

• În mod normal, urina are o gravitate specifică între 1.003 și 1.035.
• În mod normal, sângele are o gravitate specifică de aproximativ 1,060.
• Dovada Vodka 80 are o gravitate specifică de 0,9498.

Vezi si

Referințe