Dichte von Stoffen
Dichte von Stoffen im Dornbach-Baulexikon.
Begriff Dichte:
Die Dichte von Stoffen ist im engeren Sinne eine von der irdischen Beschleunigung unabhängige physikalische Grösse, welche die Masse eines Stoffe im Verhältnis zu seinem Volumen abbildet. Sie wird beispielsweise durch die Einheiten Gramm je Kubikzentimeter oder Kilogramm je Kubikmeter ausgewiesen.
So verschieden die festen, gasförmigen und flüssigen Medien innerhalb der Natur sind, so unterschiedlich ist die Dichte von Stoffen. Auch Variationen der Dichte eines Stoffes und damit verbunden, veränderliche Eigenschaften eines Stoffes, sind feststellbar. Sie treten u.a. aufgrund von Abweichungen im Atomgitter durch Leerstellen oder Gitterbrüche auf. Darüber hinaus wirkt sich eine veränderte Konsistenz auf die Dichte von Stoffen aus. So weicht die (Roh)-Dichte eines porösen Festkörpers von der (Rein)-Dichte eines Blocks aus diesem Material ab.
Auch der Einschluss von Gas oder Flüssigkeit in Materialhohlräumen führt zur Variation der Dichte von Stoffen. In diesem Zusammenhang spricht man beispielsweise von Schüttdichte.
Die genaue Bestimmung der Dichte von Stoffen erleichtert der Dichte-Rechner.
Beispiele:
Der Dichte-Rechner zeigt, bei Normaldruck und einer Aussentemperatur von zwanzig Grad Celsius beträgt die Dichte von Gold 9,30 Gramm je Kubikzentimeter und von Diamanten 3,50 Gramm je Kubikzentimeter. Inwiefern die Temperatur Einfluss auf die Dichte von Stoffen, u.a. Flüssigkeiten, besitzt, wird bei der Dichte von Wasser deutlich. Bei Null Grad Celsius hat Wasser eine Dichte von 0,917 Gramm je Kubikzentimeter. Bei zwanzig Grad Celsius erhöht sich dieser Wert auf 0,990 Gramm je Kubikzentimeter.
Bei 1,01325 bar und Null Grad Celsius besitzt Sauerstoff eine Dichte von 0,7168 Gramm je Liter. Bei diesen Bedingungen weist Wasserstoff die Dichte von 0,0988 Gramm je Liter auf.
Zur Feststellung der Dichte von flüssigen, gasförmigen und festen Stoffen nutzt man verschiedene Verfahren.
Dichtebestimmung bei festen Stoffen:
Möchte man die Dichte eines Festkörpers ermitteln, so geschieht dies durch Bestimmung des Quotienten aus Masse und Volumen des betreffenden Materials. Ist das Volumen des festen Stoffes unbekannt, so nutzt man zu dessen Bestimmung die Tauchmethode. Dabei wird der Körper in eine Flüssigkeit getaucht, deren Dichte bekannt ist.
Auch das Wiegen kann in diesem Zusammenhang genutzt werden. Dabei gilt es, den Auftrieb des Luftdrucks zu berücksichtigen.
Der Einsatz des sogenannten Schwebeverfahrens führt zur ad hoc Feststellung der Dichte von festen Stoffen. Es geht von der Erkenntnis aus, dass die Dichte eines schwebenden Körpers identisch zur Dichte einer Flüssigkeit ist. Basis dafür bildet die Mischung von zwei Flüssigkeiten mit bekannter Dichte.
Ausserdem lässt sich mittels Auftriebsverfahren nach Ideen der hydrostatischen Waage des antiken Mathematikers Archimedes die Dichte von Festkörpern ermitteln. Dazu wird die Dichte aufgrund der Abnahme des Gewichts eines festen Körpers beim Tauchen in eine leichtere Flüssigkeit fixiert.
Auch durch das röntgenografische Verfahren kann die Dichte fester Stoffe abgebildet werden. Es basiert auf der Feststellung des Verhältnisses von Volumen und Atomzahl in einer Elementarzelle. Kenntnisse zum vorliegenden Atomstrukturgitter sind dazu erforderlich.
Der Dichte-Rechner ist eine sehr gute Alternative, die Dichte von Stoffen konkret zu ermitteln.
Ermittlung der Dichte von Flüssigkeiten:
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung der Dichte flüssiger Stoffe erfolgt unter Anwendung des Pyknometers. Dieses Gerät funktioniert durch Wiegen der Probesubstanz auf einer Senkwaage. Grundprinzip dieser Dichtebestimmung ist das proportionale Verhalten des Flüssigkeitsauftriebs zur Dichte sowie zum verdrängten Volumen der Flüssigkeit. Bei Anwendung dieses Verfahrens wird auf der Skala der Senkwaage die Dichte ablesbar.
Auch das Verfahren der kommunizierenden Röhren setzt man zur Dichtebestimmung bei Flüssigkeiten ein. Darüber hinaus kann man die Dichte eines Fluids per Permanentmagnet-Methode herausfinden. Es stellt den Kraftaufwand fest, welcher zum Tauchen eines magnetischen Schwimmkörpers in einer Flüssigkeit notwendig ist.
Neben dem Dichte-Rechner verwendet man zur Ermittlung der Dichte von Flüssigkeiten Schwingermessgeräte. Diese funktionieren hinsichtlich der Dichtebestimmung von Flüssigkeiten nach dem Prinzip der umgekehrten Proportionalität des Quadrats der Eigenschwingungsfrequenz eines flüssigkeitsgefüllten Rohrs zu dessen gesamter Masse.
Gase und ihre Dichte:
Notwendig zur Feststellung der Dichte gasförmiger Stoffe ist der vergleichende Bezug zur Dichte eines anderen Gases, beispielsweise der Atemluft. Dabei bezieht sich die Dichtebestimmung auf der Annahme eines Normalzustandes, welcher durch eine Temperatur von Null Grad Celsius und dem Druck von zehntausendeinhundertzweiunddreissig Pascal definiert ist.
Ein weiteres Verfahren zur Dichteermittlung eines Gases ist der Einsatz eines Ballons. Man füllt wechselseitig einen Ballon mit Wasser und dann mit dem gasförmigen Stoff, dessen Dichte man messen möchte. Aus den Ergebnissen der Wägung des gefüllten Ballons mit Wasser einerseits und des Gas enthaltenden Ballons wird die Dichte des Gases bestimmbar.
Auch die Nutzung einer Gaswaage ist als Verfahren zur Dichtemessung bei Gasen üblich. Dieses Gerät basiert auf der Nutzung des sogenannten Auftriebsverfahrens.
Zudem besteht die Option, ein Messergebnis zur Dichte gasförmiger Stoffe im Zuge der Feststellung der relativen Molekülmasse zu erhalten, da sich relative Molekülmassen proportional zur Dichte des Gases verhalten. Schliesslich gilt die Dichte als Wert, welcher sich aus der Relation der Masse und der Atomabstände in einem Stoff bestimmt.
Hinsichtlich der Dichtemessung gasförmiger Stoffen ist auch die Untersuchung des Strömungsverhaltens gasförmiger Stoffe mit dem Interferometer gebräuchlich.
