Η πυκνότητα μετρά πόση μάζα είναι συσκευασμένη σε έναν όγκο. Όπως η σύγκριση φτερών με μόλυβδο — ίδιο μέγεθος, διαφορετικό βάρος. Βασική ιδιότητα για την αναγνώριση υλικών.

• Πυκνότητα = μάζα ÷ όγκος (ρ = m/V)
• Υψηλότερη πυκνότητα = βαρύτερο για το ίδιο μέγεθος
• Νερό: 1000 kg/m³ = 1 g/cm³
• Καθορίζει την πλεύση/βύθιση

Ειδικό βάρος = πυκνότητα σε σχέση με το νερό. Αδιάστατος λόγος. SG = 1 σημαίνει το ίδιο με το νερό. SG < 1 επιπλέει, SG > 1 βυθίζεται.

• SG = ρ_υλικού / ρ_νερού
• SG = 1: το ίδιο με το νερό
• SG < 1: επιπλέει (λάδι, ξύλο)
• SG > 1: βυθίζεται (μέταλλα)

Η πυκνότητα αλλάζει με τη θερμοκρασία! Αέρια: πολύ ευαίσθητα. Υγρά: ελαφρές αλλαγές. Το νερό έχει μέγιστη πυκνότητα στους 4°C. Πάντα να προσδιορίζετε τις συνθήκες.

• Θερμοκρασία ↑ → πυκνότητα ↓
• Νερό: μέγιστη στους 4°C (997 kg/m³)
• Τα αέρια είναι ευαίσθητα στην πίεση/θερμοκρασία
• Πρότυπο: 20°C, 1 atm

Το kg/m³ είναι το πρότυπο SI. Το g/cm³ είναι πολύ συνηθισμένο (= SG για το νερό). Το g/L για διαλύματα. Όλα σχετίζονται με δυνάμεις του 10.

• 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
• 1 g/mL = 1 g/cm³ = 1 kg/L
• 1 t/m³ = 1000 kg/m³
• g/L = kg/m³ (αριθμητικά)

Το lb/ft³ είναι το πιο συνηθισμένο. Το lb/in³ για πυκνά υλικά. Το lb/gal για υγρά (γαλόνια ΗΠΑ ≠ γαλόνια ΗΒ!). Το pcf = lb/ft³ στις κατασκευές.

• 1 lb/ft³ ≈ 16 kg/m³
• Γαλόνι ΗΠΑ ≠ Γαλόνι ΗΒ (20% διαφορά)
• lb/in³ για μέταλλα
• Νερό: 62.4 lb/ft³

API για το πετρέλαιο. Brix για τη ζάχαρη. Plato για τη ζυθοποιία. Baumé για τα χημικά. Μη γραμμικές μετατροπές!

• API: πετρέλαιο (10-50°)
• Brix: ζάχαρη/κρασί (0-30°)
• Plato: μπύρα (10-20°)
• Baumé: χημικά

ρ = m/V. Γνωρίζοντας τα δύο, βρίσκετε το τρίτο. m = ρV, V = m/ρ. Γραμμική σχέση.

• ρ = m / V
• m = ρ × V
• V = m / ρ
• Οι μονάδες πρέπει να ταιριάζουν

Αρχιμήδης: η άνωση = το βάρος του εκτοπισμένου ρευστού. Επιπλέει αν ρ_αντικειμένου < ρ_ρευστού. Εξηγεί τα παγόβουνα, τα πλοία.

• Επιπλέει αν ρ_αντικειμένου < ρ_ρευστού
• Άνωση = ρ_ρευστού × V × g
• % Βυθισμένο = ρ_αντικειμένου/ρ_ρευστού
• Ο πάγος επιπλέει: 917 < 1000 kg/m³

Η πυκνότητα προκύπτει από την ατομική μάζα + τη συσκευασία. Όσμιο: το πυκνότερο (22.590 kg/m³). Υδρογόνο: το ελαφρύτερο αέριο (0.09 kg/m³).

• Η ατομική μάζα έχει σημασία
• Κρυσταλλική συσκευασία
• Μέταλλα: υψηλή πυκνότητα
• Αέρια: χαμηλή πυκνότητα

• Το νερό είναι 1: g/cm³ = g/mL = kg/L = SG (όλα ίσα με 1 για το νερό)
• Πολλαπλασιάστε με το 1000: g/cm³ × 1000 = kg/m³ (1 g/cm³ = 1000 kg/m³)
• Κανόνας του 16: lb/ft³ × 16 ≈ kg/m³ (1 lb/ft³ ≈ 16.018 kg/m³)
• SG σε kg/m³: Απλά πολλαπλασιάστε με το 1000 (SG 0.8 = 800 kg/m³)
• Δοκιμή πλευστότητας: SG < 1 επιπλέει, SG > 1 βυθίζεται, SG = 1 ουδέτερη πλευστότητα
• Κανόνας του πάγου: 917 kg/m³ = 0.917 SG → 91.7% βυθισμένο όταν επιπλέει

• g/cm³ ≠ g/m³! Διαφορά κατά παράγοντα 1.000.000. Πάντα να ελέγχετε τις μονάδες σας!
• Η θερμοκρασία έχει σημασία: Το νερό είναι 1000 στους 4°C, 997 στους 20°C, 958 στους 100°C
• Γαλόνια ΗΠΑ vs ΗΒ: η διαφορά 20% επηρεάζει τις μετατροπές lb/gal (119.8 vs 99.8 kg/m³)
• Το SG είναι αδιάστατο: Μην προσθέτετε μονάδες. SG × 1000 = kg/m³ (μετά προσθέστε μονάδες)
• Η βαρύτητα API είναι αντίστροφη: Υψηλότερο API = ελαφρύτερο πετρέλαιο (αντίθετο της πυκνότητας)
• Η πυκνότητα των αερίων αλλάζει με την P&T: Πρέπει να προσδιορίζονται οι συνθήκες ή να χρησιμοποιείται ο νόμος των ιδανικών αερίων

Επιλογή υλικού με βάση την πυκνότητα. Χάλυβας (7850) ισχυρός/βαρύς. Αλουμίνιο (2700) ελαφρύ. Σκυρόδεμα (2400) για κατασκευές.

• Χάλυβας: 7850 kg/m³
• Αλουμίνιο: 2700 kg/m³
• Σκυρόδεμα: 2400 kg/m³
• Αφρός: 30-100 kg/m³

Η βαρύτητα API ταξινομεί το πετρέλαιο. Το ειδικό βάρος για την ποιότητα. Η πυκνότητα επηρεάζει την ανάμιξη, τον διαχωρισμό, την τιμολόγηση.

• API > 31.1: ελαφρύ αργό πετρέλαιο
• API < 22.3: βαρύ αργό πετρέλαιο
• Βενζίνη: ~720 kg/m³
• Ντίζελ: ~832 kg/m³

Brix για την περιεκτικότητα σε ζάχαρη. Plato για τη βύνη. SG για το μέλι, τα σιρόπια. Ποιοτικός έλεγχος, παρακολούθηση της ζύμωσης.

• Brix: χυμός, κρασί
• Plato: ισχύς μπύρας
• Μέλι: ~1400 kg/m³
• Γάλα: ~1030 kg/m³

g/cm³ × 1000 = kg/m³. lb/ft³ × 16 = kg/m³. SG × 1000 = kg/m³.

• 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
• 1 lb/ft³ ≈ 16 kg/m³
• SG × 1000 = kg/m³
• 1 g/mL = 1 kg/L

m = ρ × V. Νερό: 2 m³ × 1000 = 2000 kg.

• m = ρ × V
• Νερό: 1 L = 1 kg
• Χάλυβας: 1 m³ = 7850 kg
• Ελέγξτε τις μονάδες

V = m / ρ. Χρυσός 1 kg: V = 1/19320 = 51.8 cm³.

• V = m / ρ
• 1 kg χρυσού = 51.8 cm³
• 1 kg Al = 370 cm³
• Πυκνό = μικρό

Χαλύβδινη δοκός 2m × 0.3m × 0.3m, ρ=7850. Βάρος;

V = 0.18 m³. m = 7850 × 0.18 = 1413 kg ≈ 1.4 τόνοι.

Ξύλο (600 kg/m³) σε νερό. Επιπλέει;

600 < 1000, επιπλέει! Βυθισμένο: 600/1000 = 60%.

1 kg χρυσού. ρ=19320. Όγκος;

V = 1/19320 = 51.8 cm³. Μέγεθος κουτιού σπίρτων!

22.590 kg/m³. Ένα κυβικό πόδι = 1.410 lb! Ξεπερνά ελαφρώς το ιρίδιο. Σπάνιο, χρησιμοποιείται σε μύτες στυλό.

Πάγος 917 < νερό 1000. Σχεδόν μοναδικό! Οι λίμνες παγώνουν από πάνω προς τα κάτω, σώζοντας την υδρόβια ζωή.

Πυκνότερο στους 4°C, όχι στους 0°C! Αποτρέπει το πλήρες πάγωμα των λιμνών — το νερό στους 4°C βυθίζεται στον πυθμένα.

1-2 kg/m³. 'Παγωμένος καπνός'. Υποστηρίζει 2000 φορές το βάρος του. Τα οχήματα του Άρη το χρησιμοποιούν!

~4×10¹⁷ kg/m³. Ένα κουταλάκι του γλυκού = 1 δισεκατομμύριο τόνοι! Τα άτομα καταρρέουν. Η πυκνότερη ύλη.

0.09 kg/m³. 14 φορές ελαφρύτερο από τον αέρα. Το πιο άφθονο στο σύμπαν παρά τη χαμηλή του πυκνότητα.

Η πιο διάσημη στιγμή 'Εύρηκα!' στην επιστήμη συνέβη όταν ο Αρχιμήδης ανακάλυψε την αρχή της άνωσης και της εκτόπισης πυκνότητας ενώ έκανε μπάνιο στις Συρακούσες της Σικελίας.

• Ο βασιλιάς Ιέρων Β' υποψιάστηκε ότι ο χρυσοχόος του τον εξαπάτησε αναμειγνύοντας ασήμι σε μια χρυσή κορώνα
• Ο Αρχιμήδης έπρεπε να αποδείξει την απάτη χωρίς να καταστρέψει την κορώνα
• Παρατηρώντας την εκτόπιση του νερού στο λουτρό του, συνειδητοποίησε ότι μπορούσε να μετρήσει τον όγκο μη καταστροφικά
• Μέθοδος: Μέτρηση του βάρους της κορώνας στον αέρα και στο νερό· σύγκριση με ένα δείγμα καθαρού χρυσού
• Αποτέλεσμα: Η κορώνα είχε μικρότερη πυκνότητα από τον καθαρό χρυσό—η απάτη αποδείχθηκε!
• Κληρονομιά: Η Αρχή του Αρχιμήδη έγινε το θεμέλιο της υδροστατικής και της επιστήμης της πυκνότητας

Αυτή η ανακάλυψη 2.300 ετών παραμένει η βάση για τις σύγχρονες μετρήσεις πυκνότητας μέσω μεθόδων εκτόπισης νερού και άνωσης.

Η επιστημονική επανάσταση έφερε όργανα ακριβείας και συστηματικές μελέτες της πυκνότητας υλικών, αερίων και διαλυμάτων.

• 1586: Ο Γαλιλαίος Γαλιλέι εφευρίσκει τον υδροστατικό ζυγό—το πρώτο όργανο ακριβείας για την πυκνότητα
• Δεκαετία 1660: Ο Ρόμπερτ Μπόιλ μελετά τις σχέσεις πυκνότητας και πίεσης των αερίων (Νόμος του Μπόιλ)
• 1768: Ο Αντουάν Μπομέ αναπτύσσει κλίμακες πυκνομέτρου για χημικά διαλύματα—χρησιμοποιούνται ακόμη και σήμερα
• 1787: Ο Ζακ Σαρλ μετρά την πυκνότητα των αερίων σε σχέση με τη θερμοκρασία (Νόμος του Σαρλ)
• Δεκαετία 1790: Ο Λαβουαζιέ καθιερώνει την πυκνότητα ως θεμελιώδη ιδιότητα στη χημεία

Αυτές οι πρόοδοι μετέτρεψαν την πυκνότητα από περιέργεια σε ποσοτική επιστήμη, επιτρέποντας τη χημεία, την επιστήμη των υλικών και τον ποιοτικό έλεγχο.

Οι βιομηχανίες ανέπτυξαν προσαρμοσμένες κλίμακες πυκνότητας για το πετρέλαιο, τα τρόφιμα, τα ποτά και τα χημικά, καθεμία βελτιστοποιημένη για τις συγκεκριμένες ανάγκες τους.

• 1921: Το Αμερικανικό Ινστιτούτο Πετρελαίου δημιουργεί την κλίμακα βαρύτητας API—υψηλότεροι βαθμοί = ελαφρύτερο, πιο πολύτιμο αργό πετρέλαιο
• 1843: Ο Άντολφ Μπριξ τελειοποιεί το σακχαρόμετρο για διαλύματα ζάχαρης—το °Brix εξακολουθεί να είναι πρότυπο στα τρόφιμα/ποτά
• Δεκαετία 1900: Η κλίμακα Plato τυποποιείται για τη ζυθοποιία—μετρά την περιεκτικότητα σε εκχύλισμα στο μούστο και την μπύρα
• 1768-σήμερα: Οι κλίμακες Baumé (βαριά & ελαφριά) για οξέα, σιρόπια και βιομηχανικά χημικά
• Η κλίμακα Twaddell για βαριά βιομηχανικά υγρά—χρησιμοποιείται ακόμη στην επιμετάλλωση

Αυτές οι μη γραμμικές κλίμακες εξακολουθούν να υπάρχουν επειδή είναι βελτιστοποιημένες για στενά εύρη όπου η ακρίβεια έχει μεγαλύτερη σημασία (π.χ., το API 10-50° καλύπτει τα περισσότερα αργά πετρέλαια).

Η κατανόηση σε ατομική κλίμακα, τα νέα υλικά και τα όργανα ακριβείας έφεραν επανάσταση στη μέτρηση της πυκνότητας και τη μηχανική των υλικών.

• 1967: Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ επιβεβαιώνει ότι το όσμιο είναι το πυκνότερο στοιχείο με 22.590 kg/m³ (ξεπερνά το ιρίδιο κατά 0,12%)
• Δεκαετίες 1980-90: Οι ψηφιακοί πυκνόμετροι επιτυγχάνουν ακρίβεια ±0,0001 g/cm³ για υγρά
• Δεκαετία 1990: Αναπτύχθηκε το αεροπηκτώμα—το ελαφρύτερο στερεό στον κόσμο με 1-2 kg/m³ (99,8% αέρας)
• Δεκαετία 2000: Κράματα μεταλλικού γυαλιού με ασυνήθιστες αναλογίες πυκνότητας-αντοχής
• 2019: Ο επαναπροσδιορισμός του SI συνδέει το χιλιόγραμμο με τη σταθερά του Πλανκ—η πυκνότητα είναι πλέον ανιχνεύσιμη στη θεμελιώδη φυσική

Η αστροφυσική του 20ού αιώνα αποκάλυψε ακραίες τιμές πυκνότητας πέρα από την γήινη φαντασία.

• Διαστρικός χώρος: ~10⁻²¹ kg/m³—σχεδόν τέλειο κενό με άτομα υδρογόνου
• Η ατμόσφαιρα της Γης στο επίπεδο της θάλασσας: 1,225 kg/m³
• Λευκοί νάνοι: ~10⁹ kg/m³—ένα κουταλάκι του γλυκού ζυγίζει αρκετούς τόνους
• Αστέρες νετρονίων: ~4×10¹⁷ kg/m³—ένα κουταλάκι του γλυκού ισοδυναμεί με ~1 δισεκατομμύριο τόνους
• Μοναδικότητα μαύρης τρύπας: Θεωρητικά άπειρη πυκνότητα (η φυσική καταρρέει)

Οι γνωστές πυκνότητες εκτείνονται σε ~40 τάξεις μεγέθους—από τα κενά του σύμπαντος έως τους καταρρεύσαντες αστρικούς πυρήνες.

Σήμερα, η μέτρηση της πυκνότητας είναι απαραίτητη στην επιστήμη, τη βιομηχανία και το εμπόριο.

• Πετρέλαιο: Η βαρύτητα API καθορίζει την τιμή του αργού πετρελαίου (±1° API = εκατομμύρια σε αξία)
• Ασφάλεια τροφίμων: Οι έλεγχοι πυκνότητας ανιχνεύουν τη νοθεία σε μέλι, ελαιόλαδο, γάλα, χυμό
• Φαρμακευτικά: Ακρίβεια κάτω του χιλιοστού του γραμμαρίου για τη σύνθεση φαρμάκων και τον ποιοτικό έλεγχο
• Μηχανική υλικών: Βελτιστοποίηση πυκνότητας για την αεροδιαστημική (ισχυρό + ελαφρύ)
• Περιβάλλον: Μέτρηση της πυκνότητας του ωκεανού/ατμόσφαιρας για κλιματικά μοντέλα
• Εξερεύνηση του διαστήματος: Χαρακτηρισμός αστεροειδών, πλανητών, ατμοσφαιρών εξωπλανητών

Η πυκνότητα έχει μονάδες (kg/m³, g/cm³). Το SG είναι ένας αδιάστατος λόγος προς το νερό. SG=ρ/ρ_νερού. SG=1 σημαίνει το ίδιο με το νερό. Πολλαπλασιάστε το SG με το 1000 για να πάρετε kg/m³. Το SG είναι χρήσιμο για γρήγορες συγκρίσεις.

Το νερό διαστέλλεται όταν παγώνει. Πάγος=917, νερό=1000 kg/m³. Ο πάγος είναι 9% λιγότερο πυκνός. Οι λίμνες παγώνουν από πάνω προς τα κάτω, αφήνοντας νερό από κάτω για τη ζωή. Αν ο πάγος βυθιζόταν, οι λίμνες θα πάγωναν εντελώς. Μοναδικός δεσμός υδρογόνου.

Υψηλότερη θερμοκρασία → χαμηλότερη πυκνότητα (διαστολή). Τα αέρια είναι πολύ ευαίσθητα. Υγρά ~0.02%/°C. Στερεά ελάχιστα. Εξαίρεση: το νερό είναι πυκνότερο στους 4°C. Πάντα να προσδιορίζετε τη θερμοκρασία για ακρίβεια.

ΗΠΑ=3.785L, ΗΒ=4.546L (20% μεγαλύτερο). Επηρεάζει το lb/gal! 1 lb/US gal=119.8 kg/m³. 1 lb/UK gal=99.8 kg/m³. Πάντα να προσδιορίζετε.

Πολύ ακριβές αν η θερμοκρασία ελέγχεται. ±0.001 είναι τυπικό για υγρά σε σταθερή θερμοκρασία. Στερεά ±0.01. Τα αέρια χρειάζονται έλεγχο πίεσης. Πρότυπο: 20°C ή 4°C για αναφορά νερού.

Υγρά: πυκνόμετρο, πικνόμετρο, ψηφιακός μετρητής. Στερεά: Αρχή του Αρχιμήδη (εκτόπιση νερού), πικνόμετρο αερίου. Ακρίβεια: είναι δυνατή η τιμή 0.0001 g/cm³. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι κρίσιμος.