Как определить возраст металла


Возраст металла и как его определить

В практике утилизационных работ иногда бывает важным установить, когда была изготовлена та или иная металлоконструкция. Это, в частности, существенно для выбора способа её утилизации, а также возможности повторного использования тех или иных частей предметов, сданных в металлолом. Как определить «возраст» металла?

Выбор марки стали определяется условиями, в которых будут длительное время работать составляющие узла или агрегата. При этом гарантийный ресурс машины (количество часов наработки на отказ) всегда устанавливается техническим паспортом оборудования. Кроме того, дату изготовления сдаваемого в металлолом оборудования всегда можно определить по табличке, а, если она отсутствует – по клеймам на наиболее ответственных деталях (за исключением быстросменных).

Отобранные для экспертной оценки детали подвергаются испытаниям на длительную прочность или ползучесть.

Ползучесть (по англ. creep – крип) особенность металла изменять свои физико-механические характеристики под влиянием нагрузок, постоянно действующих на него. Различают несколько видов испытаний на ползучесть:

  1. Оценка остаточных деформаций образца под действием нагрузок, составляющих не более 10% от тех, на которые изначально была рассчитана металлоконструкция.
  2. Определение деформации образца, вырезанного из основной детали узла при повышенных температурах. Для сталей они не должны превышать 3000С, но для других металлов, в частности, алюминия и его сплавов, они проводятся при комнатной температуре.
  3. Оценка интенсивности релаксации – восстановления размеров образца после проведенных испытаний.

Суть методов основана на том, что любой материал под воздействием постоянно прилагаемых к нему нагрузок «устаёт». Это проявляется в снижении его первоначальных параметров прочности, причём интенсивность такого уменьшения как раз и будет определять время, когда была изготовлена деталь. Таким образом, вопрос – можно ли определить возраст металла – может иметь ответ.

к содержанию ↑

Испытание на ползучесть

Различают две разновидности испытаний заготовок на ползучесть – при нормальной и повышенной температурах. Однако вторая распространена менее. Во-первых, потому, что для этого потребуется более сложная техника, а, во-вторых, потому, что не во всех хозяйственных структурах, которые занимаются подобными проблемами, могут быть созданы условия для точного проведения испытаний.

Последовательность оценки интенсивности ползучести следующая:

  • Образец прикрепляется к одному из захватов испытательного оборудования, а ко второму концу прикрепляется груз. В зависимости от размеров образца и возможностей испытательной техники его масса принимается в диапазоне 30…30000 кН;
  • После включения оборудования встроенными датчиками фиксируется относительное удлинение образца под нагрузкой;
  • При необходимости, образец подгружается пружинными или рычажными нагружателями (используется, главным образом для оценки возраста высокопластичных металлов – меди, алюминия и пр.).

Кривые после испытания на ползучесть

По результатам испытания строятся три вида кривых: кривая разрушающих напряжений, кривая фиксированно заданного удлинения (согласно ГОСТ 3248 в качестве базовой рекомендуется остаточная деформация 0,2%) и кривые зависимости приложенной деформации от времени.

Данный вид испытания является довольно длительным – до 100000 часов, а иногда – и более, но по его результатам можно построить результирующую кривую снижения прочностных показателей металлической детали. После этого кривую экстраполируют (распространяют) в обратной временной последовательности на первоначально известные прочностные параметры металла, из которого был изготовлен образец. Итоговая линия и устанавливает срок изготовления испытанного образца.

к содержанию ↑

Оборудование для испытаний на ползучесть

Приборы для определения возраста металла по интенсивности его ползучести под нагрузкой подразделяют на две группы:

  1. Машины с ручной подгрузкой (среди наиболее популярных – 1713П-3/1200).
  2. Машины с автоматической подгрузкой (самой современной считается АИМА-5-2).

Установки оборудованы системой автоматической записи деформации при помощи бесконтактных датчиков, при этом сама запись производится с автоматической компенсацией результатов испытаний.

Встроенный вычислительный блок производит обработку полученной информацией с построением кривых ползучести и последующим выводом результатов на экран монитора. Погрешность определения срока, когда был изготовлен образец, обычно не превышает 3…6 месяцев.

Установки для испытаний металла на ползучесть

Можно ли определить возраст металла другим способом? Для конструкций, которые эксплуатировались под открытым небом, а также для образцов из обычной стали, не имевших антикоррозионного покрытия, такая оценка возможна по интенсивности образования ржавчины. Однако метод менее точен, поскольку условия влажности окружающего воздуха не могут быть постоянными.

Для оптически мало поглощающих материалов оценка их возраста может проводиться по изменению спектрального коэффициента отражения. Можно ли анализатором металлов (спектрометром) определить возраст металла? В принципе, можно однако юстировка прибора довольно сложна и трудоёмка, а по стоимости современный масс-спектрометр намного превосходит наиболее сложную технику для испытаний на ползучесть.

ИК-Фурье спектрометр “Vertex 70

Как определить возраст окаменелости

Возраст окаменелостей определен углеродным датированием и радиоактивными расчетами. Поскольку все живые существа состоят из углерода, относительный возраст окаменелостей, которые когда-то были живыми животными или растениями, можно рассчитать, оценив, в какое время окаменелости были живы. Когда солнечные лучи падают на животных или растения и когда они сталкиваются с азотом, они создают углерод 14, радиоизотоп.

Например, у людей в организме есть как углерод-12, так и углерод-14, и с возрастом их количество увеличивается.Углерод-14 распадается. Его период полураспада составляет 5700 лет. Это означает, что остатки углерода-14 по-прежнему можно будет измерить по сравнению с отношением того, как они уменьшились, к постоянному количеству углерода-12, которое остается постоянным. Затем полученные результаты сравниваются с тем, каким должно быть содержание углерода в нормальном живом организме, и определяется нормальный возраст окаменелости.

Этот метод вычисления возраста окаменелостей мало чем отличается от метода определения возраста дерева по его многочисленным кольцам. Земля состоит из осадочной почвы и окаменелостей по мере старения.Это можно увидеть вдоль многих недавно построенных горных магистралей, где различные слои горных пород, минералов и растительных материалов открываются человеческому глазу, поскольку горы были прорезаны для создания проходов.

Таким образом, при датировании окаменелостей слой земли, в котором были найдены окаменелости, будет иметь важное значение для определения возраста. После того, как рабочая модель найдена, ее можно использовать для сравнения похожих окаменелостей. Конечно, это не абсолютная математика, но она служит довольно близким приближением.

Есть ограничения. Ископаемые останки возрастом более 50 000 лет не могут быть напрямую датированы углеродом. Весь их углерод рассеется. Поэтому лучший метод - использовать геологические слои для определения возраста породы. Другими словами, в каком слое, в каком виде породы была найдена окаменелость?

Дальнейшие исследования, проведенные в Университете Беркли в режиме онлайн, показывают два разных типа датирования окаменелостей и горных пород: первый метод, расчеты на основе геологических слоев и найденных в них окаменелостей; Второй метод, «определение возраста по радио», - измерение количества радиоактивного распада, появился недавно в 20 веке.

Благодаря этим новым знаниям можно получить довольно точный возраст окаменелостей. Однако это увлечение довольно новое, на самом деле ему около ста лет. Фрэнку Либби, химику, который работал с Манхэттенским проектом во время Второй мировой войны, приписывают радиоактивное датирование, то есть датирование материалов, которые когда-то были живы. Это, конечно, включает окаменелости животных и растений. В основном, конечно, растительная жизнь распалась, но окаменелости листьев все же остались, если бы они были немедленно покрыты вулканическим пеплом, который предохранял их от гниения.

Это открытие Либби стало возможным благодаря огромному объему работы, проделанной ранее. В частности, два важных события: «В 1903 году сэр Эрнест Резерфорд (1871-1937) вместе с Фредериком Содди (1877-1956) идентифицировали явление радиоактивного распада полураспада и открытие углерода 14 в 1940 году Мартином Дэвидом Карменом. и Сэм Рубен ».

Развивается интересная новая наука, наука нового открытия старого. Интересно, что еще сто лет добавит к копилке знаний о том, что происходило раньше? Добавьте к этому знание о том, что все, что когда-либо было, все еще существует, но находится в другой форме.Несколько листьев, которые избежали трансформации, будучи сохраненными каким-то химическим действием, которое, возможно, задержало их, когда они плыли вниз, или леса деревьев, окаменевшие в скалы, создают захватывающие приключения открытий.

Тем не менее, факт того, что вы не видите, никоим образом не меняет песчинку, которая блуждает изо дня в день, уносится в море одного отступающего океана, только для того, чтобы оседать на другом и другом, пока, наконец, не станет частью песчаника. . Он может оставаться таким в течение тысячелетий, пока снова не столкнется с песком, зерно, проглоченное устрицей, где оно скрежещет и измельчит вместе с другими кусочками песка, пока не будет создана прекрасная жемчужина.Интересно то, что все это все еще где-то рядом, даже если перетасовано отсюда туда. Мораль в том, что все полезно в некотором роде, известное или неизвестное, старое или новое.

.

Является ли углеродное датирование надежным методом определения возраста вещей?

Вопрос: «Является ли углеродное датирование надежным методом определения возраста вещей?»

Ответ:

Углеродное датирование или радиоуглеродное датирование, как и любой другой метод лабораторных испытаний, может быть чрезвычайно надежным, если все задействованные переменные контролируются и понимаются. На результаты анализа на радиоуглерод влияют несколько факторов, не все из которых легко контролировать объективно. По этой причине предпочтительно датировать объекты несколькими методами, а не полагаться на один тест.Углеродное датирование надежно в пределах определенных параметров, но определенно не безошибочно.

При тестировании объекта с помощью радиоуглеродного датирования необходимо учитывать несколько факторов:

Во-первых, углеродное датирование работает только с веществом, которое когда-то было живым, и определяет только приблизительную дату смерти для этого образца. Например, стальной наконечник копья не может быть датирован углеродом, поэтому археологи могут провести испытания на деревянном древке, к которому оно было прикреплено. Это дает хорошую информацию, но показывает только, как давно этот кусок дерева был вырезан из живого дерева.Радиоуглеродное датирование не позволяет определить разницу между деревом, которое было разрезано и сразу же использовалось для копья, и деревом, которое было распилено за несколько лет до того, как его снова использовали для этой цели. Он также не может сказать, прикреплен ли гораздо более старый наконечник копья к совершенно новой древке.

Большинство археологических предметов не могут быть напрямую датированы углеродом, поэтому их датировка основана на тестировании, проведенном на близлежащих объектах или материалах. Это делает результаты зависимыми от предположений исследователей об этих объектах. Если датировка наконечника копья выполняется с использованием костей животного поблизости, точность результатов полностью зависит от предполагаемой связи между наконечником копья и животным.Это, пожалуй, самая большая точка потенциальной ошибки, поскольку предположения о датировке могут привести к круговым рассуждениям или выбору подтверждающих результатов вместо принятия «неправильной» даты.

Во-вторых, радиоуглеродное датирование становится более трудным и менее точным по мере старения образца. Тела живых существ обычно имеют концентрации изотопа углерода-14, также известного как радиоуглерод, идентичные концентрациям в атмосфере. Когда организм умирает, он перестает принимать новый углерод-14, и все, что находится внутри, постепенно распадается на другие элементы.Углерод-14 обычно составляет примерно 1 триллионную (1/1 000 000 000 000) атмосферы Земли. Так что даже новые образцы содержат невероятно малое количество радиоуглерода.

В конце концов, количество оставшегося углерода-14 настолько мало, что его практически невозможно обнаружить. Небольшие вариации в пределах конкретной выборки становятся достаточно значительными, чтобы исказить результаты до абсурда. Следовательно, датирование углерода основано на методах обогащения и улучшения, чтобы облегчить обнаружение меньших количеств, но такое улучшение также может исказить результаты испытаний.Нормальные ошибки в тесте увеличиваются. В результате углеродное датирование возможно только для объектов возрастом менее 40000 лет.

Еще одним важным фактором, влияющим на результаты углеродного датирования, является определение исходной доли самого углерода-14. Датирование углерода основано на потере углерода-14 и , поэтому, даже если нынешнее количество в образце можно точно определить, мы все равно должны знать, с каким количеством углерода-14 начал организм. Ученые должны предположить, сколько углерода-14 было в организме, когда он умер.Ситуацию усложняет тот факт, что концентрация углерода-14 на Земле резко меняется в зависимости от различных факторов. По мере того как образцы стареют, ошибки увеличиваются, и предположения могут сделать углеродное датирование практически бесполезным.

Например, вариации парниковых эффектов и солнечной радиации изменяют количество углерода-14, воздействию которого подвергается живой организм, что резко меняет «отправную точку», на которой основан тест радиоуглеродного датирования. Точно так же разные живые существа поглощают или отвергают углерод-14 с разной скоростью.Два растения, которые умерли в один и тот же момент, но которые, естественно, содержали разные уровни радиоуглерода, могли быть датированы совершенно разным временем. Современные эффекты, такие как сжигание ископаемого топлива и ядерные испытания, также изменили уровень углерода-14 в атмосфере и, в свою очередь, изменили «отправную точку» для испытания радиоуглерода. В общем, установка параметров теста на углерод-14 - это больше искусство, чем наука.

Загрязнение и повторяемость также являются факторами, которые необходимо учитывать при углеродном датировании.Незначительное количество углеродного загрязнения сильно исказит результаты испытаний, поэтому подготовка образцов имеет решающее значение. Даже в этом случае большая часть тестов радиоуглеродного датирования дает противоречивые или даже непоследовательные результаты даже для тестов, проведенных на одном и том же образце. Эти выбросы обычно объясняются «загрязнением». Несогласованные результаты - еще одна причина, по которой для датирования объектов используются множественные выборки, множественные тесты и различные параллельные методы.

Из-за всех этих факторов часто отклоняются результаты углеродного датирования конкретного образца или даже группы образцов по той единственной причине, что они не соответствуют «ожидаемым» результатам.В науке это обычное дело, но следует помнить о взаимосвязи между предположениями и интерпретациями. В лучшем случае это нужно признать. В худшем случае это может сделать углеродное датирование циклическим и самоочевидным, хотя есть и другие способы датирования, которые могут снизить этот риск.

Короче говоря, углеродное датирование так же полезно, как и любой другой метод, при условии, что оно выполняется правильно и результаты объективно интерпретируются. Однако это не безошибочный или черно-белый метод датировки объектов.

.

Как определить плотность металла - Канадский институт охраны природы (CCI) Примечания 9/10

Введение

Плотность объекта - это масса объекта, деленная на его объем. Плотность является характеристикой материала, из которого изготовлен объект, и ее значение может помочь идентифицировать материал.

За исключением объектов простой формы, напрямую определить объем сложно. Простой способ определить плотность металлического объекта - взвесить его в воздухе, а затем снова взвесить, когда он будет погружен в жидкость, как описано в разделе «Наука, лежащая в основе измерений плотности».Вода - самая удобная жидкость для использования, но если объект нельзя погрузить в воду, можно использовать органические растворители, такие как этанол или ацетон. Плотность объекта можно рассчитать по двум измерениям веса и плотности жидкости.

При правильном балансе и контейнере подходящего размера этот метод можно использовать для различных объектов: больших и малых, металлических или неметаллических. Этот метод работает для сложных форм, даже для объектов с отверстиями, пока жидкость может проникать и заполнять отверстия.После того, как плотность определена, ее можно сравнить с плотностями известных материалов, чтобы сузить круг вопросов, из которых может быть сделан объект.

В этом примечании описывается процедура и необходимые материалы для определения плотности металлического объекта. Первым шагом является выполнение процедуры на одном или нескольких металлических объектах известного состава, будь то чистый металл или сплав, чтобы получить опыт использования метода и убедиться, что он используется правильно. Затем можно определить плотность неизвестных металлов.

Методика определения плотности металла

Оборудование и материалы, необходимые для определения плотности

  • Мелкие металлические предметы, которые можно погружать в воду
  • Весы с возможностью взвешивания под весами (т. Е. Могут взвешивать предметы, подвешенные под ними) и которые могут измерять с разрешением не менее 0,01 грамма (см. Раздел Весы без возможности взвешивания под весами, чтобы узнать, как адаптировать процедуру взвешивания ниже весов. баланс)
  • Металлическая проволока для крепления к крючку внутри баланса (хорошо подойдет изогнутая скрепка)
  • Поддерживающая подставка или платформа для удержания весов, чтобы под них можно было подвешивать предметы на крючке
  • Стаканы, достаточно большие, чтобы предметы можно было полностью погрузить без перелива жидкости
  • Опоры для удержания стаканов на нужной высоте под весами
  • Водопроводная вода
  • Калькулятор
  • Нить нейлоновая (e.г. леска или аналогичный легкий материал) для подвешивания предметов под весами
  • Одноразовые нитриловые перчатки
  • Дополнительно: зажимы для крепления опоры баланса к краю счетчика

Методика определения плотности при взвешивании ниже весов

  1. Снимите крышку с нижней стороны весов, чтобы открыть крючок внутри.
  2. Поместите весы на подставку с отверстием для доступа к внутреннему крючку.
  3. Присоедините проволочный крюк к внутреннему крюку и затем тарируйте весы (установите на ноль).
  4. Подвесьте какой-либо предмет на крючок под весами, используя нейлоновую нить или аналогичный предмет, и взвесьте его в воздухе. Надевайте перчатки при работе с металлическими предметами, особенно с теми, которые предположительно содержат свинец.
  5. Наполните химический стакан водой и поместите его под весы.
  6. Поднимите стакан до полного погружения объекта. Установите подставку под стакан, чтобы удерживать его на нужной высоте.Убедитесь, что под объектом или в пустотах внутри объекта нет пузырей.
  7. Взвесьте погруженный объект.
  8. Рассчитайте плотность, используя приведенное ниже уравнение.
  9. Сравните рассчитанную плотность с известными значениями плотности металлов и сплавов, используя приведенную ниже таблицу или более полные списки, доступные в справочных материалах.
  10. Повторите шаги 4–9 с остальными объектами.

Расчет плотности

Плотность ρ объекта или материала определяется как масса m, деленная на объем V; в символах ρ = m / V.Если объект взвешивается в воздухе, чтобы определить его фактическую массу, и взвешивается в жидкости, чтобы определить его (кажущуюся) массу в жидкости, то плотность объекта определяется по формуле:

Плотность воды 0,998 г / см 3 при 20 ° C и 0,997 г / см 3 при 25 ° C.

Результаты процедуры

Примеры объектов

На рис. 1 показаны примеры восьми различных металлических образцов, использованных для демонстрации этой процедуры.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0358
Рис. 1. Металлические предметы, используемые для демонстрации процедуры.

Измеренные плотности металлических образцов на Рисунке 1 представлены ниже.

В верхнем ряду слева направо:

  1. Вероятно, чугун (7,13 г / см 3 )
  2. Алюминий высокой чистоты (2,70 г / см 3 )
  3. Красноватый медный сплав (возможно, 85% меди и 15% цинка, 8,23 г / см 3 )
  4. Медь высокой чистоты (8.88 г / см 3 )

В нижнем ряду слева направо:

  1. Цинковое литье (сплав неизвестен, 7,09 г / см 3 )
  2. Свинец высокой чистоты (11,20 г / см 3 )
  3. Олово высокой чистоты (7,27 г / см 3 )
  4. Желтый картридж, латунь (70% меди и 30% цинка, 8,45 г / см 3 )

В каждом образце плотность определялась по приведенной выше формуле. Например, для алюминиевого объекта (б) масса оказалась равной 110.18 г в воздухе и 69,45 г в воде, что дает плотность 2,70 г / см. 3 . Для чугунного объекта (а) масса составила 209,47 г в воздухе и 180,13 г в воде, что дает 7,13 г / см 3 . Для свинцового объекта (f) масса составила 102,44 г в воздухе и 93,31 г в воде, что дает 11,20 г / см 3 .

Измеренные плотности алюминия, чугуна и свинца (2,70, 7,13 и 11,20 г / см 3 ) близки к известным значениям плотности (2,71, 7,20 и 11,33 г / см 3 из таблицы 1).Таким образом, предметы из алюминия и свинца легко идентифицируются по плотности.

Для изделия из чугуна одной плотности недостаточно, чтобы исключить другие металлы, такие как цинк (известная плотность 7,13 г / см 3 ). Когда плотность неизвестного металла приближается к плотности нескольких металлов и сплавов (например, цинка, железа и олова), тогда необходимо будет определить другие свойства, такие как магнетизм и цвет, чтобы помочь идентифицировать его.

Известная плотность выбранных металлов и сплавов

Известная плотность выбранных металлов и сплавов приведена в таблице 1 в порядке увеличения плотности (ASTM 2006, Lide 1998).

Таблица 1: известная плотность выбранных металлов и сплавов
Металл или сплав Плотность (г / см 3 )
Алюминий 2,71
Алюминиевые сплавы 2,66–2,84
цинк 7,13
Чугун (серое литье) 7,20
Олово 7.30
Сталь (углеродистая) 7,86
Нержавеющая сталь 7,65–8,03
Латунь (картридж: 70% меди, 30% цинка) 8,52
Латунь (красный: 85% меди, 15% цинка) 8,75
Нейзильбер (65% меди, 18% никеля, 17% цинка) 8,75
Бронза (85% меди, 5% олова, 5% цинка, 5% свинца) 8.80
Никель 8,89
Медь 8,94
Серебро 10,49
Свинец 11,33
Золото 19,30
Реквизиты баланса

Весы с возможностью взвешивания под весами обычно поставляются с крышкой под внутренним крючком.На рис. 2 показан пример расположения крышки на дне весов.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0359
Рис. 2. Весы с возможностью взвешивания под весами.

На рис. 3 показан увеличенный вид с закрытой крышкой; на рис. 4 крышка открыта, чтобы обнажить внутренний крючок.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0360
Рис. 3. Деталь нижней стороны весов, демонстрирующая подвижную металлическую крышку, закрывающую внутренний крюк.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0361
Рис. 4. Деталь нижней стороны весов, показывающий внутренний крюк после поворота металлической крышки.

На рисунке 5 показана металлическая проволока, изогнутая в виде крючков на обоих концах. На рис. 6 показан крючок на одном конце проволоки, прикрепленный к внутреннему крючку внутри весов.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0363
Рис. 5. Проволока с загнутыми концами в виде крючка.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0362
Рис. 6. Деталь проволоки, загнутой в крючки с обоих концов. Верхний конец крючка прикреплен к другому крючку внутри весов.

На рис. 7 показаны весы, которые устанавливаются на подставку из оргстекла с прорезью в верхней части. Отверстие обеспечивает доступ к крючку на нижней стороне весов.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0365
Рисунок 7.Весы устанавливаются на подставку из оргстекла с крюком, который вот-вот пройдет через отверстие в подставке.

На рис. 8 показаны весы на подставке из оргстекла с прямоугольным купоном из чистой меди, взвешиваемым на воздухе. На рисунке 9 показаны весы на стенде из оргстекла с прямоугольным купоном из чистой меди, взвешиваемым в воде. Меньшая подставка из оргстекла используется для поддержки стакана на нужной высоте.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0366
Рис. 8. Прямоугольный купон чистой меди, взвешиваемой на воздухе.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0367
Рис. 9. Прямоугольный купон из чистой меди, погруженной в воду.

На рисунке 10 показан пример объекта с отверстием, в котором застряли пузырьки воздуха. Будьте осторожны, чтобы не захватить предметом пузырьки воздуха, так как это приведет к неточному показанию.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0375
Рис. 10. Три пузырька воздуха застряли в отверстии.

Дополнительная информация

Использование других растворителей, кроме воды

Если погружать какой-либо предмет в воду, например железо, нецелесообразно, поскольку он очень подвержен коррозии, можно использовать органический растворитель, такой как ацетон или безводный этанол. Необходимо использовать надлежащую вентиляцию и соответствующие средства индивидуальной защиты. Обратитесь к паспорту безопасности (SDS) конкретного растворителя для рекомендованного оборудования.Плотность ацетона составляет 0,790 г / см 3 , а плотность безводного этанола составляет 0,789 г / см 3 , оба при 20 ° C. Тем, кому может потребоваться использовать одну из этих жидкостей, попробуйте измерить плотность объекта, используя воду и одну из этих жидкостей, и сравните результаты.

Советы по настройке весов
Альтернативная подставка для весов

Лист фанеры с отверстием можно прижать к краю прилавка, если нет подставки для балансировки (Рисунок 11).

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0296
Рис. 11. Платформа для весов, сделанная из фанеры и зажимов.

Весы без взвешивания под весами

Весы без крюка для взвешивания можно использовать для определения плотности, но для этого требуется рама, чтобы подвешивать объект под весами и переносить вес объекта на весы. Баланс должен быть установлен на платформе; может использоваться установка, аналогичная показанной на рисунке 11.(В этом случае отверстие в дереве на Рисунке 11 не требуется.) Затем вокруг весов и платформы устанавливают четырехстороннюю рамку (имеющую форму рамки для рисунка), опираясь только на чашу весов и не касаясь ее. другая часть баланса (рисунок 12). Весы тарируют с установленными рамой и крюком, затем объект прикрепляют к крюку на раме и взвешивают в воздухе и в жидкости, как в шагах 4–9 процедуры: определение плотности металла.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы.CCI 120260-0298
Рис. 12. Вид спереди (левая часть рисунка) и вид сбоку (правая сторона), показывающие весы без возможности взвешивания ниже весов. Верхний сегмент прямоугольной рамки опирается на чашу весов, а предмет прикрепляется к нижнему сегменту.

Наука, лежащая в основе измерений плотности

Плавучесть и принцип Архимеда

Техника этой процедуры датируется третьим веком до нашей эры. В своей книге «Плавающие тела» Архимед Сиракузский предположил, что если объект погрузить в жидкость и взвесить, он будет легче, чем его истинный вес, на вес жидкости, которую он вытесняет.История гласит, что Архимед использовал эту идею, чтобы показать, что корона не была чистым золотом, а скорее смесью золота и серебра (Heath 1920).

Объект кажется более легким в жидкости, потому что на него действует сила, называемая выталкивающей силой. Сила возникает из-за того, что давление в жидкости увеличивается с глубиной, поэтому давление на нижнюю часть объекта (толкая объект вверх) выше, чем давление сверху (толкающее его вниз). Разница между давлением, направленным вверх и вниз, дает подъемную силу.Выталкивающая сила, толкая объект вверх, действует против силы тяжести, которая тянет объект вниз. Если подъемная сила меньше силы тяжести, объект утонет, но будет казаться, что в жидкости он весит меньше, чем в воздухе. Если выталкивающая сила больше силы тяжести, объект всплывет к поверхности жидкости.

Плотность объекта рассчитывается по формуле, приведенной ранее

Когда плотность известна, ее можно использовать для расчета объема объекта по следующей формуле:

Объем объекта = (масса в воздухе) / (плотность объекта)

Подобно воде, воздух также производит подъемную силу.(Вот почему гелиевые шары плавают вверх.) Выталкивающая сила воздуха слишком мала, чтобы иметь значение в этой процедуре, но ее необходимо учитывать, когда требуется высокая точность взвешивания (Skoog et al. 2014).

Плотность определяется по вытесненному объему

Более простой, но менее точный способ измерения плотности - поместить объект в жидкость и измерить объем вытесненной жидкости. Это можно использовать для небольших объектов, которые помещаются в градуированный цилиндр, например, чтобы решить, сделан ли объект из свинца или менее плотного металла.

Порядок действий следующий. Найдите градуированный цилиндр диаметром не намного больше, чем объект. Определите массу объекта с помощью подходящих весов. Добавьте воду в мерный цилиндр и запишите начальный объем. Полностью погрузите объект в воду, стараясь не образовывать пузырей, а затем запишите объем во второй раз. Объем объекта равен разнице конечного и начального объемов, считываемых с градуированного цилиндра, а плотность - это масса, деленная на объем объекта.

В качестве примера была измерена фигурка лося. Масса 4,088 г. На рис. 13 фигурка показана за пределами градуированного цилиндра, а на рис. 14 - в погруженном состоянии. Вода в градуированном цилиндре увеличилась с 5,0 мл до 5,6 мл, когда фигурка была погружена, что дало изменение объема на 0,6 мл. Без учета ошибок измерения объема плотность рассчитывается и составляет 4,088 г / 0,6 мл = 6,8 г / см 3 . (Примечание: 1 мл = 1 см 3 .) Это меньше плотности цинка и может предполагать сплав цинка и более легкого металла, возможно, магния или алюминия.Но с учетом небольшого объема измерения есть неточности. Объем может быть измерен только с точностью до 0,1 мл с помощью градуированного цилиндра, поэтому объем может составлять от 0,5 до 0,7 мл. Таким образом, плотность может быть где угодно от 4,088 г / 0,7 мл = 5,8 г / см 3 до 4,088 г / 0,5 мл = 8,2 г / см 3 . В этом диапазоне измерений фигурка может быть из цинка, железа, олова, стали или других сплавов, но не из чистого алюминия или чистого свинца. Фактически анализ показал, что это олово, имеющее плотность 7.30 г / см 3 .

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0373
Рис. 13. Небольшой металлический предмет перед погружением в воду в мерном цилиндре на 25 мл. Обратите внимание на уровень воды.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы. CCI 120260-0374
Рис. 14. Небольшой металлический предмет после погружения в воду в мерном цилиндре объемом 25 мл. Уровень воды примерно на 0,6 мл больше, чем до погружения объекта.

Другое применение

Вышеуказанные процедуры можно использовать не только для идентификации металлов по их плотности.

Вес для литья металлов

При отливке скульптуры необходимо оценить количество металла, необходимое для заполнения формы модели скульптуры. Если отливаемая модель может быть погружена в воду, объем модели можно определить с помощью описанных выше методов. Тогда необходимую массу металла m можно рассчитать из объема V модели и плотности металла ρ по формуле m = ρV.(Имейте в виду, что обычно требуется дополнительный металл для заполнения каналов, которые направляют расплавленный металл в форму.)

Благодарности

Особая благодарность Миган Уолли, Люси 'т Харт и Кэтрин Мачадо, бывшим стажерам CCI, за их помощь в разработке этой заметки.

Список литературы

ASTM G1-03. «Стандартная практика подготовки, очистки и оценки образцов для испытаний на коррозию». В Ежегодной книге стандартов ASTM, т. 03.02. Вест Коншохокен, Пенсильвания: Американское общество испытаний и материалов, 2006, стр.17–25.

Heath, T.L. Архимед. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макмиллан, 1920.

Lide, D.R., ed. CRC Справочник по химии и физике, 79-е изд. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 1998, стр. 12-191–12-192.

Скуг, Д.А., Д.М. Уэст, Ф.Дж. Холлер и С. Присядь. Основы аналитической химии, 9 изд. Бельмонт, Калифорния: Брукс / Коул, 2014 г., стр. 22–23.

Написано Линдси Селвин

Également publié en version française.

© Правительство Канады, Канадский институт охраны природы, 2016

ISSN 1928-1455

.

2:10 понять, как определить процентное содержание кислорода в воздухе по объему, используя эксперименты, включающие реакции металлов (например, железа) и неметаллов (например, фосфора) с воздухом

Следующие 3 эксперимента могут быть использованы для определения этого кислорода (O 2 ) составляет примерно 20% от объема воздуха.

Медь

Медь в избытке и использует кислород для образования оксида меди (CuO).

Таким образом, весь кислород в воздухе расходуется, и объем воздуха уменьшается примерно на 20% (процентное содержание кислорода в воздухе).

Утюг

Железо реагирует с кислородом воздуха (ржавчина).

Пока железа и воды в избытке, общий объем воздуха, заключенного в аппарате, уменьшается примерно на пятую часть (20%) в течение нескольких дней.

Фосфор

Фосфор зажигается горячей проволокой.

Он вступает в реакцию с кислородом воздуха и вызывает повышение уровня воды в колпаке примерно на 20%.

.

Смотрите также