Khối lượng riêng của các chất rắn và lỏng là một khái niệm đã được giới thiệu trong chương trình giáo dục phổ thông. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều bạn có thắc mắc về công thức và đơn vị đo khối lượng. Bài viết này từ Cân Điện Tử Minh Phúc sẽ giúp bạn đọc ôn tập lại những lý thuyết cũng như bài tập liên quan đến khối lượng riêng của một chất.

Khối lượng riêng là gì?

Khối lượng riêng, hay còn gọi là mật độ khối lượng, là một khái niệm thể hiện đặc tính về mật độ khối lượng trên mỗi đơn vị thể tích của vật chất. Khối lượng riêng được xác định bằng cách lấy thương số giữa khối lượng và thể tích của chất ở dạng nguyên chất.

Nói một cách đơn giản, khối lượng riêng phản ánh tỷ lệ giữa thể tích và khối lượng của một vật. Khối lượng của một vật có thể được tính toán hoặc đo đạc trong các trạng thái rắn, lỏng hoặc khí, nhưng thường được áp dụng nhiều nhất cho các chất khí.

Công thức tính khối lượng riêng

Khối lượng riêng của một chất trong vật thể được xác định bằng cách lấy khối lượng của một thể tích rất nhỏ tại vị trí đó và chia cho thể tích nhỏ này.

Đơn vị đo khối lượng riêng là kilogam trên mét khối (kg/m³) theo hệ thống đo lường quốc tế. Ngoài ra, còn có đơn vị khác là gam trên centimét khối (g/cm³).

Việc tính toán khối lượng riêng của một vật giúp xác định các thành phần cấu tạo nên vật đó, thông qua việc so sánh kết quả với bảng khối lượng riêng của các chất đã biết.

Công thức tính khối lượng riêng

D = m/V

Trong đó: D là khối lượng riêng (kg/m³), m là khối lượng của vật (kg) và V là thể tích (m³).

Nếu chất đó là đồng nhất, thì khối lượng riêng ở mọi vị trí sẽ giống nhau và được tính bằng khối lượng riêng trung bình.

Công thức tính khối lượng riêng trung bình

Khối lượng riêng trung bình của một vật thể bất kỳ được tính bằng khối lượng chia cho thể tích của nó, thường được ký hiệu là ρ.

ρ = m/V.

Bảng khối lượng riêng của một chất

Khối lượng riêng của các chất lỏng như nước, mật ong, xăng, dầu hỏa,...

Khối lượng riêng của nước được xác định trong một điều kiện môi trường cụ thể. Cụ thể, giá trị này được tính toán khi nước ở trạng thái nguyên chất tại nhiệt độ 4 độ C, và hiện nay khối lượng riêng của nước được quy định là Dnước = 1000 kg/m³.

Thông thường, các vật chất rắn sẽ có hiện tượng giãn nở thể tích khi nhiệt độ tăng, trong khi đó khi nhiệt độ giảm, thể tích sẽ co lại. Tuy nhiên, đối với nước, khi nhiệt độ xuống dưới 0 độ C, nước sẽ chuyển sang trạng thái đông đá, dẫn đến sự gia tăng thể tích và giảm khối lượng riêng. Cụ thể, khối lượng riêng của nước đá là Dnước = 920 kg/m³.

Dưới đây là bảng khối lượng riêng của nước theo nhiệt độ:

Khối lượng riêng của một số chất lỏng khác:

Khối lượng riêng của không khí

Khối lượng riêng của không khí ở 0 độ C là 1,29 kg/m³ và ở 100 độ C là 1,85 kg/m³.

Khối lượng riêng của các chất rắn

Trọng lượng riêng là gì?

Trọng lượng của một mét khối chất được gọi là trọng lượng riêng của chất đó. Đơn vị đo trọng lượng riêng là N/m³ (Niutơn trên mét khối).

Trọng lượng riêng của một vật thể được xác định thông qua công thức: d = P/V

Trong đó: d đại diện cho trọng lượng riêng (N/m³), P là trọng lượng (N) và V là thể tích (m³).

Sự khác nhau giữa khối lượng riêng và trọng lượng riêng

Trọng lượng riêng được định nghĩa là trọng lượng của một mét khối vật chất. Cần lưu ý rằng trọng lượng riêng và khối lượng riêng là hai khái niệm khác nhau.

Sự khác biệt giữa chúng được thể hiện qua công thức:

Trọng lượng riêng = Khối lượng riêng x 9,81 (Đơn vị đo trọng lượng riêng là N/m³).

Các phương pháp xác định khối lượng riêng của một chất là gì

Sử dụng tỷ trọng kế

Để xác định khối lượng riêng của một chất, người ta thường sử dụng thiết bị gọi là tỷ trọng kế.

Tỷ trọng kế là một công cụ thí nghiệm được chế tạo từ thủy tinh, có dạng hình trụ với một đầu gắn quả bóng. Bên trong nó chứa thủy ngân hoặc kim loại nặng nhằm giúp thiết bị đứng vững. Tỷ trọng kế chỉ có khả năng đo lường các chất như chất làm mát và chất chống đông cho Ethylene Glycol.

Đối với Propylene Glycol có nồng độ trên 70%, việc sử dụng tỷ trọng kế để đo là không khả thi do trọng lượng riêng sẽ giảm khi nồng độ vượt quá mức này. Nhiệt độ chuẩn để thực hiện phép đo bằng tỷ trọng kế là 20 độ C.

Sử dụng lực kế

- Tiến hành đo trọng lượng của vật thể bằng cách sử dụng lực kế.

- Xác định thể tích của vật thông qua bình chia độ hoặc các dụng cụ tương tự.

- Áp dụng công thức tổng quát để tính toán khối lượng riêng của vật đó. Nếu vật thể là đồng nhất và tinh khiết, thì khối lượng riêng sẽ tương ứng với khối lượng riêng của chất đó.

Ứng dụng của khối lượng riêng trong thực tiễn

Khối lượng riêng được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn với các lĩnh vực như sau:

• Trong ngành công nghiệp cơ khí: Khối lượng riêng được coi là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi lựa chọn vật liệu, đặc biệt là về khía cạnh khối lượng riêng.
• Trong lĩnh vực vận tải đường thủy, khối lượng riêng được sử dụng để tính toán tỷ trọng của dầu, nhớt và nước nhằm phân bổ vào các két một cách hợp lý, đảm bảo sự cân bằng cho tàu. 

Bài tập áp dụng công thức tính khối lượng riêng

Bài tập 1: Một hộp sữa ông thọ có khối lượng 0.397 kg và thể tích 0.32 m³. Hãy xác định khối lượng riêng của sữa trong hộp.

Giải pháp:

Ta có m = 0.397 kg, V = 0.00032 m³

=> Khối lượng riêng của sữa được tính bằng công thức D = m/V = 0.397/0.00032 ≈ 1240.6 (kg/m³)

Bài tập 2: Biết rằng 10 lít cát có khối lượng 15 kg.

1. Tính thể tích của 1 tấn cát.
2. Tính trọng lượng của một đống cát có thể tích 3m³.

Giải pháp:

1. Khối lượng riêng của cát là: D = m/V = 15/0.01 = 1500 (kg/m³)

Thể tích của 1 tấn cát: V = m/D = 1000/1500 = 0.667 (m³)

2. Trọng lượng của một đống cát 3m³: P = d x V = 10 x 1500 x 3 = 45000 N

Bài tập 3: Khối lượng riêng của các chất như sau: nhôm = 2700 kg/m³, sắt = 7800 kg/m³, chì = 11300 kg/m³, đá = 2600 kg/m³. Với một khối đồng nhất có thể tích 300 cm³ và khối lượng 810 g, hãy xác định chất đó là gì.

Giải pháp:

Chuyển đổi thể tích 300 cm³ = 0.0003 m³ và 810 g = 0.81 kg.

Áp dụng công thức tính khối lượng riêng D = m/V = 0.81/0.0003 = 2700 kg/m³. Do đó, chất đó là nhôm.

Bài tập 4: Xét hai loại kim loại là chì và sắt, trong đó khối lượng của sắt gấp đôi khối lượng của chì. Khối lượng riêng của sắt và chì lần lượt là: D1 = 7800 kg/m³, D2 = 11300 kg/m³. Tính tỷ lệ thể tích giữa sắt và chì.

Giải pháp:

Gọi m1, V1 là khối lượng và thể tích của sắt; m2, V2 là khối lượng và thể tích của chì.

Ta có:

m1 = D1 x V1

m2 = D2 x V2

Vì m1 = 2m2 => D1.V1 = 2D2.V2 => V1/V2 = 2D2/D1 = 2,9

Bài tập 5: Sữa có khối lượng tịnh 387 gram và thể tích 0,314 lít. Hãy tính khối lượng riêng của sữa.

Giải pháp:

Chuyển đổi 387 g = 0.387 kg và 0.314 lít = 0.000314 m³.

Ta có: d = P/V = 10 x 0.387/0.000314 = 12331 N/m³.

Hy vọng với những thông tin từ Cân Điện Tử Minh Phúc về khối lượng riêng và cách tính khối lượng riêng của một chất như trên, các bạn sẽ có thêm kiến thức hữu ích để học tốt hơn môn hóa học và vật lý.