Один из самых важных контролируемых показателей при производстве косметики и производстве БАД – плотность. В зависимости от производимого продукта специалисты компании «КоролёвФарм » используют несколько понятий и определений плотности.
Более чёткое определение понятия плотности требует уточнения формулировки этого термина:
При таком предельном переходе необходимо учитывать, что на атомарном уровне любое тело является неоднородным, в связи с чем необходимо остановиться на том объёме, который применяется для соответствующей используемой физической модели.
- Насыпная плотность - под насыпной плотностью различных сыпучих материалов (сахар, лактоза, крахмал и т.д.) понимают количество этого порошка (сыпучего продукта), которое находится в свободно засыпанном состоянии в определённой единице объема.
- Относительная плотность – является отношением двух понятий, т.е. терминов, и может рассматриваться как отношение объёмной, то есть насыпной плотности, к истинной плотности.
Плотность продукции является важным параметром при изготовлении косметической продукции, так как она влияет на внешний вид продукта, его органолептические свойства, вес и стоимость готовой продукции. Очень важно учитывать плотность продукта при фасовке изготовленной продукции во флаконы, тубы, банки и так далее.
Например, плотность кремов - меньше единицы. Как правило, плотность крема находиться в пределах 0,96 – 0,98 г/см 3 . В соответствии с проведёнными испытаниями при плотности 0,96 и объеме 50 мл масса крема составит 48 г, а при плотности 0,98 масса увеличивается уже до 49 г.
Плотность шампуней, наоборот, больше или равна единице, она находиться в пределах 1,0 - 1,04 г/см 3 . Исследования показывают, что при плотности 1,0 и объеме 100 мл масса шампуня в упаковке составит 100 г, а при плотности 1,04 уже 104 г.
Как уже говорилось, плотность определяется как отношение массы тела к занимаемому объёму. Поэтому, числовые значения плотности вещества показывают массу принятой или указанной единицы объема этого вещества. Как видно из приведённого примера, плотность металла, в данном случае чугуна, 7 кг/дм 3 . Получается, что 1 дм 3 чугуна имеет массу 7 кг. Сравниваем плотность водопроводной воды – 1 кг/л. Из этого примера следует, что масса 1 л водопроводной воды равна 1 кг. Один и тот же объём разной субстанции или вещества имеют различный вес.
Известно, что при снижении температуры плотность тел увеличивается.
Существует два основных метода определения плотности вещества: ареометрический и пикнометрический. Для измерения плотности различных жидкостей используется ареометр, а для измерения плотности кремов, бальзамов, гелей, зубных паст используется пикнометр.
На основании измеренной плотности косметической продукции по согласованным на предприятии таблицам «Пределы допускаемых отклонений содержимого нетто от номинального количества» в соответствии с ГОСТ 8.579-2002 «Требования к количеству фасованных товаров в упаковке любого вида при их производстве, расфасовке, продаже и импорте» определяются пределы допустимых отклонений содержимого нетто продукта от номинального значения.
Ареометр - прибор, которым пользуются для измерения плотности различных жидкостей и жидких субстанций. Как правило, он представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой значительно расширена в диаметре. При калибровке расширенная часть заполняется дробью или ртутью, которые используются для достижения заданной массы. В верхней части ареометра находится проградуированная шкала в определенных соответствующих значениях плотности. Поскольку плотность жидкостей и жидких субстанций весьма значительно зависит от температуры, поэтому ареометр или снабжают термометром, или производят одновременное измерение температуры жидкости другим термометром.
Для проведения процедуры измерения плотности жидкой субстанции или жидкости чистый ареометр осторожно помещают в достаточного объема мерную мензурку с жидкостью, но таким образом, чтобы ареометр свободно плавал в ней. Значения плотности определяют по шкале ареометра находящейся на нижнем крае мениска жидкости.
В физике Ареометром называют прибор, служащий для определения значения плотности и, следовательно, определения удельного веса тел.
Историки науки считают, что ареометр как прибор для проведения измерений изобрела Гипатия – знаменитая женщина-ученый, астроном, математик и философ, глава Александрийской школы неоплатонизма. Благодаря её научной деятельности были изобретены или усовершенствованы и другие приборы: дистиллятор, астролябия и планисфера.
Устройство современных ареометров, как и ареометров, применяемых в древности, основано на известном гидростатическом законе - законе Архимеда, Как известно из школы младших классов, закон Архимеда гласит, что каждое тело плавает в жидкости и погружается настолько глубоко в нее, что вес вытесненной этим телом жидкости равен весу всего тела, плавающего в этой жидкости.
Интересные обстоятельства предшествовали открытию закона Архимеда, который прославил ученого на все времена. «Эврика!», – восклицает каждый, находя решение трудной задачи, а ведь этому предшествует целая история.
Архимед служил при дворе Гиерона II – тирана Сиракуз, который правил в 270-215 годах до нашей эры, а с 269 года до нашей эры носил титул царя. Гиерон слыл коварным, жадным и подозрительным правителем.
Он подозревал своих ювелиров в том, что при изготовлении золотых изделий они подмешивают в золото серебро или хуже того олово к благородному металлу, что и послужило причиной открытия одного из физических законов. Он поручил Архимеду изобличить мастеров-ювелиров, так как он был уверен, что при изготовлении для него короны ювелиры украли золото.
Для решения этой сложной задачи необходимо знать не только массу, но и определить объём изготовленной короны, а это было самым сложным, чтобы в дальнейшем вычислить плотность металла. Корона имеет сложную и неправильную геометрическую форму, определить её объём - очень не простая задача, над решением которой долгое время размышлял Архимед.
Решение было найдено Архимедом оригинальным способом, когда он погружался в ванну – уровень воды резко поднялся, после того когда он погрузился в воду. Тело учёного вытеснило равный ему объём воды. «Эврика!» - воскликнул Архимед и побежал во дворец, как утверждает легенда, не одевшись. Дальше всё было просто. Он погрузил корону в воду, измерил объём вытесненной жидкости и таким образом определил объём короны.
Благодаря этому Архимедом и был открыт принцип или, как его ещё называют, закон плавучести. Твердое тело, погружённое в жидкость, вытеснит объем жидкости, равный объему погруженного в жидкость тела. В воде может плавать любое тело, если его средняя плотность меньше плотности той жидкости, в которую его поместили.
Закон Архимеда гласит: на всякое тело, которое погружено в жидкость или в газ, действуют выталкивающие силы, направленные вверх и равные весу вытесненной им жидкости или газа.
До настоящего времени человечество успешно применяет знания, полученные от далёких предков во многих областях своей деятельности, в том числе и при производстве косметики.
Как уже говорилось, для измерения плотности используется также пикнометр. Измерение плотности с помощью пикнометра проводят следующим образом.
Перед испытанием необходимо промыть пикнометр последовательно растворителем для удаления следов испытуемого вещества, затем хромовой смесью, водой, спиртом, эфиром, затем высушить до постоянной массы и взвесить (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до четвертого десятичного знака).
Пикнометр заполняется с помощью воронки или пипетки дистиллированной водой немного выше метки, закрывается пробкой и помещается на 20 минут в термостат с температурой (20 ±0,1)°С.
При достижении температуры (20 ±0,1)°С, необходимо довести уровень воды в пикнометре до метки, быстро отбирая излишек воды при помощи пипетки или свернутой в трубку полоски фильтровальной бумаги или, добавляя водой до метки, закрыть пикнометр пробкой и поместить пикнометр в термостат с температурой (20 ±0,1) °С на 10 минут.
Вынуть пикнометр из термостата, взвесить, освободить от воды, высушить его и заполнить пикнометр испытуемой жидкостью и термостатировать.
Вычислите плотность () в г/см 3 по формуле:
где
: m 1 – масса пикнометра с испытуемой жидкостью, г;
m 0 – масса пустого пикнометра, г;
m 2 - масса пикнометра с водой, г;
А – поправка на аэростатические силы, вычисляется по формуле:
А= 0,0012 х V.
где
: V – объем пикнометра, см 3 ;
0,0012 – плотность воздуха при 200С, г/см 3 ;
0,9982 – плотность воды при 200С, г/см 3 ;
На фирме «КоролевФарм» для измерения плотности косметических изделий, имеющих густую консистенцию (эмульсии, крем-гели, гели, бальзамы и т.п.), используется экспресс-метод. Суть его заключается в том, что для проведения испытаний используется калиброванный шприц.
Для определения плотности взвесьте пустой шприц (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до второго десятичного знака), наполните шприц дистиллированной водой до максимальной метки, затем тщательно вытрите поверхность шприца и произведите повторное взвешивание.
Объем (V) шприца определите по формуле:
где
: m 1 – масса шприца с водой (г)
, , 0,9982 - плотность воды при 200С, г/см 3 ;
Снова взвесьте пустой шприц (результат взвешивания записывают в граммах с точностью до второго десятичного знака), заполните шприц косметической массой до максимальной метки, не допуская попадания пузырьков воздуха.
Тщательно вытрите поверхность шприца и произведите его повторное взвешивание.
Плотность () в г/см 3 вычислите по формуле:
Где,
m 1 – масса шприца с косметическим средством (г)
, m 0 - масса пустого шприца (г)
, V – объем шприца (см 3)
За результат испытания принимают среднеарифметическое результатов двух параллельных определений, расхождение между которыми не превышает 0,01 г/см 3 .
Этот метод позволяет быстро определить плотность изготовленного косметического продукта.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Масса – это скалярная физическая величина, характеризующая инертные и гравитационные свойства тел.
Любое тело «сопротивляется» попытке изменить его . Это свойство тел называется инертностью. Так, например, шофер не может мгновенно остановить автомобиль, увидев перед собой внезапно выскочившего на дорогу пешехода. По той же причине трудно сдвинуть с места шкаф или диван. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях – значительно медленнее. Говорят, что второе тело является более инертным или обладает большей массой.
Таким образом, мерой инертности тела является его инертная масса. Если два тела взаимодействуют друг с другом, то в результате изменяется скорость обоих тел, т.е. в процессе взаимодействия оба тела приобретают .
Отношение модулей ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс:
Мерой гравитационного взаимодействия является гравитационная масса.
Экспериментально установлено, что инертная и гравитационная массы пропорциональны друг другу. Выбрав коэффициент пропорциональности равный единице, говорят о равенстве инертной и гравитационной масс.
В системе СИ единицей измерения массы является кг .
Масса обладает следующими свойствами:
- масса всегда положительна;
- масса системы тел всегда равна сумме масс каждого из тел, входящих в систему (свойство аддитивности);
- в рамках масса не зависит от характера и скорости движения тела (свойство инвариантности);
- масса замкнутой системы сохраняется при любых взаимодействиях тел системы друг с другом (закон сохранения массы).
Плотность веществ
Плотностью тела называется масса единицы объема:
Единица измерения плотности в системе СИ кг/м .
Разные вещества обладают различной плотностью. Плотность вещества зависит от массы атомов, из которых оно состоит, и от плотности упаковки атомов и молекул в веществе. Чем больше масса атомов, тем больше плотность вещества. В различных агрегатных состояниях плотность упаковки атомов вещества различна. В твердых телах атомы очень плотно упакованы, поэтому вещества в твердом состоянии имеют наибольшую плотность. В жидком состоянии плотность вещества несущественно отличается от его плотности в твердом состоянии, так как плотность упаковки атомов все еще велика. В газах молекулы слабо связаны друг с другом и удаляются друг от друга на большие расстояния, плотность упаковки атомов в газообразном состоянии очень низкая, поэтому в этом состоянии вещества обладают наименьшей плотностью.
Основываясь на данных астрономических наблюдений, определили среднюю плотность вещества во Вселенной, результаты расчетов говорят о том, что в среднем космическое пространство чрезвычайно разрежено. Если «размазать» вещество по всему объему нашей Галактики, то средняя плотность материи в ней окажется равной примерно 0,000 000 000 000 000 000 000 000 5 г/см 3 . Средняя плотность материи во Вселенной — приблизительно шесть атомов на кубический метр.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Чугунный шар при объеме 125 см имеет массу 800 г. Является этот шар сплошным или полым? |
| Решение | Вычислим плотность шара по формуле:
Переведем единицы в систему СИ: объем см По таблице плотность чугуна 7000 кг/м 3 . Так как полученное нами значение меньше табличного, шар является полым. |
| Ответ | Шар является полым. |
м; масса г кг.ПРИМЕР 2
| Задание | Во время аварии танкера в заливе образовалось пятно диаметром 640 м при средней толщине 208 см. Сколько нефти оказалось в море, если ее плотность 800 кг/м ? |
| Решение | Считая нефтяное пятно круглым, определим его площадь:
C учетом того, что Объем нефтяного слоя равен произведению площади пятна на его толщину:
Плотность нефти:
откуда масса разлитой нефти:
Переводим единицы в систему СИ: средняя толщина см м. |
| Ответ | В море оказалось кг нефти. |
ПРИМЕР 3
| Задание | Сплав состоит из олова массой 2,92 кг и свинца массой 1,13 кг. Какова плотность сплава? |
| Решение | Плотность сплава: |
Плотность — это интенсивность распределения одной величины по другой.
Термин объединяет несколько различных понятий, таких как: плотность вещества; оптическая плотность; плотность населения; плотность застройки; плотность огня и многие другие. Рассмотрим два понятия, касающихся неразрушающего контроля.
1. Плотность вещества.
В физике плотностью вещества называют массу этого вещества, содержащуюся в единице объёма при нормальных условиях. Тела одинакового объёма, изготовленные из различных веществ, обладают различной массой, что и характеризует их плотность. К примеру, два куба одинаковых размеров, изготовленные из чугуна и алюминия, будут отличаться весом и плотностью.
Чтобы вычислить плотность какого-либо тела, нужно точно определить его массу и разделить её на точный объём этого тела.
кг/м 3
— Единицы измерения
плотности в международной
системе единиц (СИ)
г/см 3
— Единицы измерения
плотности в системе СГС
Выведем формулу вычисления плотности.
Для примера определим плотность бетона. Возьмём бетонный кубик весом 2,3 кг со стороной 10 см. Подсчитаем объём кубика.
Подставляем данные в формулу.
Получаем плотность 2 300 кг/м 3 .
От чего зависит плотность вещества
Плотность вещества зависит от температуры. Так в подавляющем большинстве случаев при снижении температуры плотность увеличивается. Исключение составляют вода, чугун, бронза и некоторые другие вещества, которые в определённом температурном диапазоне проявляют себя иначе. Вода, например, имеет максимальную плотность при 4 °C . При повышении или понижении температуры плотность будет уменьшатся.
Плотность вещества меняется и при изменении его агрегатного состояния. Она скачкообразно растёт при переходе вещества из газообразного в жидкое состояние, и далее — в твёрдое. Здесь также есть исключения: плотность воды, висмута, кремния и некоторых других веществ снижается при затвердевании.
Чем измеряется плотность вещества
Для измерения плотности различных веществ применяются специальные приборы и приспособления. Так, плотность жидкостей и концентрация растворов измеряется различными ареометрами. Несколько разновидностей пикнометров предназначены для измерения плотности твёрдых тел, жидкостей и газов.
2. Оптическая плотность.
В физике оптической плотностью называют способность прозрачных материалов поглощать свет, а непрозрачных — отражать его. Это понятие в большинстве случаев характеризует степень ослабления светового излучения при прохождении его через слои и плёнки различных веществ.
Оптическую плотность принято выражать десятичным логарифмом отношения падающего на объект потока излучения к потоку, прошедшему через объект или отражённому от него:
Оптическая плотность=логарифм (поток излучения, падающий на объект где D - оптическая плотность; F 0 - поток излучения, падающий на объект; F - поток излучения, прошедший через объект или отражённый от него).
Во многих отраслях промышленного производства, а также в строительстве и сельском хозяйстве используется понятие "плотность материала". Это вычисляемая величина, которая является отношением массы вещества к занимаемому им объему. Зная такой параметр, например, у бетона, строители могут рассчитать необходимое количество его при заливке разных железобетонных конструкций: строительных блоков, перекрытий, монолитных стен, колонн, защитных саркофагов, бассейнов, шлюзов и других объектов.
Как определить плотность
Важно отметить, что, определяя плотность строительных материалов, можно использовать специальные справочные таблицы, где даны эти величины для различных веществ. Также разработаны методы и алгоритмы расчета, которые позволяют получать такие данные на практике, если отсутствует доступ к справочным материалам.
Плотность определяется у:
- жидких тел прибором ареометром (например, известный всем процесс измерения параметров электролита автомобильного аккумулятора);
- твердых и жидких веществ с помощью формулы при известных исходных данных массы и объема.
Все самостоятельные вычисления, конечно, будут иметь неточности, ведь сложно достоверно определить объем, если тело имеет неправильную форму.
Погрешности в измерениях плотности
- Погрешность систематическую. Она фигурирует постоянно или может изменяться по определенному закону в процессе нескольких измерений одного и того же параметра. Связана с погрешностью приборной шкалы, низким показателем чувствительности устройства или степенью точности формул расчета. Так, например, определяя массу тела при помощи разновесов и игнорируя воздействие выталкивающей силы, данные получают приблизительными.
- Погрешность случайную. Вызвана приходящими причинами и оказывает разное влияние на достоверность определяемых данных. Изменение температуры окружающей среды, атмосферного давления, вибрации в помещении, невидимые излучения и колебания воздуха - все это отражается на измерениях. Избежать такого влияния полностью невозможно.
- Погрешность в округлении величин. При получении промежуточных данных в расчете формул часто числа имеют множество значащих цифр после запятой. Необходимость ограничения количества этих знаков и предполагает появление погрешности. Частично снизить такую неточность можно, оставляя в промежуточных расчетах на несколько порядков цифр больше, чем требует конечный результат.
- Погрешности небрежности (промахи) возникают вследствие ошибочности вычислений, неправильности включения пределов измерения либо прибора в целом, неразборчивости контрольных записей. Полученные таким образом данные могут резко отличаться от аналогично проведенных расчетов. Поэтому их следует удалять, а работу выполнить заново.
Измерение истинной плотности
Рассматривая плотность материала строительства, нужно учитывать его истинный показатель. То есть когда структура вещества единицы объема не содержит в себе раковин, пустот и посторонних включений. На практике нет абсолютной однородности, когда, например, бетон заливают в форму. Чтобы определить реальную его прочность, которая напрямую зависит от плотности материала, проводят следующие операции:
- Структуру подвергают измельчению до состояния порошка. На этом этапе избавляются от пор.
- Просушивают в при температуре свыше 100 градусов, из пробы удаляют остатки влаги.
- Остужают до комнатной температуры и пропускают через мелкое сито с размером ячейки в 0,20 х 0,20 мм, придавая однородность порошку.
- Полученный образец взвешивают на электронных весах высокой точности. Объем вычисляют в объемомере методом погружения в жидкую структуру и измерения вытесненной жидкости (пикнометрический анализ).
Расчет проводят по формуле:
где m - масса образца в г;
V - величина объема в см 3 .
Часто применимо измерение плотности в кг/м 3 .
Средняя плотность материала
Чтобы определить, как ведут себя строительные материалы в реальных условиях эксплуатации под воздействием влаги, положительных и отрицательных температур, механических нагрузок, нужно использовать средний показатель плотности. Он характеризует физическое состояние материалов.
Если истинная плотность - неизменная величина и зависит лишь от химического состава и структуры кристаллической решетки вещества, то средняя плотность определяется пористостью структуры. Она представляет собой отношение массы материала в однородном состоянии к объему занимаемого пространства в естественных условиях.
Средняя плотность дает представление инженеру о механической прочности, степени влагопоглощения, коэффициенте теплопроводности и других важных факторах, используемых в строительстве элементов.
Понятие насыпной плотности
Вводят для анализа сыпучих строительных материалов (песка, гравия, керамзита и др.). Показатель важен для расчета экономически выгодного применения тех или иных компонентов строительной смеси. Он показывает отношение массы вещества к объему, который оно занимает в состоянии рыхлой структуры.
Например, если известна материала зернистой формы и средняя плотность зерен, то легко определить параметр пустотности. При изготовлении бетона целесообразнее применять наполнитель (гравий, щебень, песок), обладающий меньшей пористостью сухого вещества, так как на его заполнение пойдет базовый цементный материал, что увеличит себестоимость.
Показатели плотности некоторых материалов
Если взять расчетные данные некоторых таблиц, то в них:
- материалов, в составе которых присутствуют оксиды кальция, кремния и алюминия, варьируется от 2400 до 3100 кг на м 3.
- Древесных пород с основой из целлюлозы - 1550 кг на м 3 .
- Органики (углерод, кислород, водород) - 800-1400 кг на м 3 .
- Металлов: сталь - 7850, алюминий - 2700, свинец - 11300 кг на м 3 .
При современных технологиях строительства зданий показатель плотности материала важен с точки зрения прочности несущих конструкций. Все теплоизоляционные и влагоизоляционные функции выполняют материалы низкой плотности со структурой закрытых пор.
