Удельный объём: величина, обратная плотности¶
Удельный объём (также удельная ёмкость, обратная плотность) — физическая величина, численно равная объёму вещества, содержащегося в единице массы. Определяется как отношание объёма тела к его массе и является математически обратной величиной к плотности. Обозначается символом $v$ и измеряется в м³/кг в СИ (или в см³/г, л/кг, мл/г в других системах). Слово «удельный объём» состоит из семи букв, однако в кроссвордах и словесных задачах ответом на подсказку «величина, обратная плотности» является слово из пяти букв — «ёмкость» (в значении «удельная ёмкость»); реже используется вариант «пусть» — но наиболее распространённый и принятый в словарях ответ — именно «ёмкость».
¶Определение и формула
Плотность ($\rho$) — это масса вещества в единице объёма:
$$\rho = \frac{m}{V}$$
Удельный объём обратен плотности:
$$v = \frac{V}{m} = \frac{1}{\rho}$$
где $V$ — объём, $m$ — масса. Таким образом, если плотность воды при 4 °C составляет 1000 кг/м³, то удельный объём воды равен 0,001 м³/кг, или 1 л/кг.
¶Единицы измерения
В системе СИ удельный объём измеряется в кубических метрах на килограмм (м³/кг). В технической и лабораторной практике часто используются:
- сантиметры кубические на грамм (см³/г);
- миллилитры на грамм (мл/г) — численно эквивалентно см³/г;
- литры на килограмм (л/кг).
Для газов удобна величина «мольный объём» — объём одного моля вещества, которая при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа) для идеального газа равна 22,4 л/моль.
¶Удельный объём в термодинамике
В курсе термодинамики удельный объём выступает одной из основных объёмных характеристик системы наравне с давлением и температурой. Он фигурирует в:
- уравнении состояния идеального газа $pV = nRT$, которое для одного моля переписывается как $pv = RT$;
- первом начале термодинамики в форме $dU = \delta Q - p\,dV$, где при переходе к массе единицы объём заменяется удельным объёмом;
- диаграммах «давление — удельный объём» ($p$–$v$), на которых изображаются изотермы, изобары, изохоры и адиабаты реальных газов и паров;
- уравнениях Менделеева — Клапейрона, Ван-дер-Ваальса и других моделях реальных газов.
Удельный объём насыщенного пара зависит от температуры и является одной из ключевых величин при построении таблиц водяного пара, применяемых в теплоэнергетике.
¶Значение в химии и материаловедении
По удельному объёму рассчитывают молярный объём вещества:
$$V_M = v \cdot M$$
где $M$ — молярная масса. Молярные объёмы простых веществ в конденсированном состоянии примерно близки друг к другу (правило Коппа), что позволяет оценивать размеры молекул и плотности по элементному составу.
Удельный объём также используется при:
- расчёте пористости материалов (отношение объёма пор к объёму твёрдой матрицы);
- определении концентраций растворов (масса сухого остатка на объём);
- характеристике бетонов и строительных смесей (удельный объём цементного теста, раствора).
¶Примеры значений
| Вещество | Плотность при 20 °C | Удельный объём |
|---|---|---|
| Вода | 998 кг/м³ | 1,002 л/кг |
| Ртуть | 13 546 кг/м³ | 0,0738 л/кг |
| Алюминий | 2 700 кг/м³ | 0,370 л/кг |
| Сталь | 7 850 кг/м³ | 0,127 л/кг |
| Воздух (0 °C) | 1,293 кг/м³ | 0,773 м³/кг |
¶Связь с другими величинами
Удельный объём связан с плотностью обратной зависимостью: рост плотности при неизменной массе означает уменьшение удельного объёма, и наоборот. При нагревании твёрдых тел и жидкостей удельный объём, как правило, увеличивается (тепловое расширение), а у воды в диапазоне 0–4 °C наблюдается аномалия: удельный объём уменьшается при нагреве, достигая минимума при 3,98 °C, что соответствует максимуму плотности.
¶Применение
Удельный объём находит применение в теплоэнергетике (расчёт циклов паровых турбин), химической технологии (подбор реакторов и ёмкостей), гидравлике (расчёт напоров и расходов), строительстве (рациональные пропорции смесей) и метеорологии (удельный объём влажного воздуха используется в диаграммах Молльера и Гартманна для анализа атмосферных процессов).
¶Источники
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том II. Термодинамика и молекулярная физика.
- Гурвич Л. В. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ.
- Перельман Д. И. Занимательная физика.
- Фрумкин А. Н. и др. Физическая химия.
- ГОСТ 8.315-2015. СИ. Плотность. Основные положения.
