A fajsúly, más néven relatív sűrűség, egy anyag sűrűségét hasonlítja össze a víz sűrűségével.
A fajsúly a sűrűséggel áll kapcsolatban, mivel mindkettő olyan fizikai tulajdonság, amellyel meghatározható, hogy egy adott anyag mennyire "sűrű". Ez az anyag lehet gáz, folyadék vagy szilárd anyag.
A fajsúlyt és a sűrűséget egy anyag azonosítására, egy folyadék oldat koncentrációjának meghatározására, például egy italban lévő alkohol vagy cukor esetében, illetve annak ellenőrzésére használják, hogy egy termék megfelel-e a specifikációnak.
Ez az oldal a fajsúly és a sűrűség alapjait ismerteti.
A minta sűrűségét a tömege és a térfogata hányadosaként definiáljuk.
A sűrűség képlete:
A fajsúly, más néven relatív sűrűség, egy anyag sűrűségének a víz sűrűségéhez viszonyított leírására szolgál. A fajsúly kiszámításához ossza el a minta sűrűségét a víz sűrűségével.
A fajsúly képlete:
A fajsúly és a sűrűség közötti fő különbség az, hogy a fajsúly dimenzió nélküli, vagyis nincs mértékegysége, míg a sűrűségnek van mértékegysége (g/cm3, kg/m3, g/mL, oz/US fl, ...).
A fajsúly megmutatja, hogy valami úszik-e vagy elsüllyed-e a vízben. Az 1 alatti fajsúly azt jelenti, hogy a minta kisebb sűrűségű (könnyebb), mint a víz, ezért úszni fog. Például egy 0,825 fajsúlyú olaj a víz felszínén úszik.
Hogyan alakítsuk át a fajsúlyt sűrűséggé ?
Az anyag fajsúlya = az anyag sűrűsége / a víz sűrűsége
Példa (20°C-on):
A minta sűrűsége = 1.3265 g/cm3
A víz sűrűsége = 0.9982 g/cm3
A minta fajsúlya = 1.3265 / 0.9982 = 1.3289
Hogyan alakítsuk át a sűrűséget fajsúllyá?
Az anyag sűrűsége = az anyag fajsúlya x a víz sűrűsége
Példa (20°C-on):
A minta fajsúlya = 1.0627 g/cm3
A víz sűrűsége = 0.9982 g/cm3
A minta sűrűsége = 1. 1.0627 x 0.9982 = 1.0608
Egy minta hőmérséklete befolyásolja mind a sűrűséget, mind a fajsúlyt. Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a térfogat és annál kisebb a sűrűség. Ha a hőmérséklet emelkedik, a térfogat nő, a sűrűség pedig csökken. Az anyag tömege azonban a hőmérséklet hatására nem változik.
E szabály legfigyelemreméltóbb kivétele a folyékony víz, amely 3,98 ºC-on éri el maximális sűrűségét; ezen a ponton túl a víz térfogata növekszik, és kevésbé sűrűvé válik. Hűtéskor ennek az ellenkezője igaz.
Mivel a fajsúly a minta sűrűségének és a víz sűrűségének a hányadosa, mindkét sűrűség csökken a hőmérséklet emelkedésével, de nem azonos mértékben. A hőmérséklet hatása általában valamivel kevésbé jelentős a fajsúlyra, mint a sűrűségre.
Molecule at a given temperature (slight movements) | Same molecules when temperature increases (moving further apart) | Formula |
Mind a fajsúly, mind a sűrűség mérésére különböző típusú műszerek léteznek:
A hidrométer egy költséghatékony eszköz, amelyet a folyadékok fajlagos tömegének/sűrűségének meghatározására használnak. Fúvott üvegből készül, alsó, izzószerű része ólom- vagy acélgolyócskákkal van súlyozva, és egy hosszú, keskeny szárral rendelkezik, amelyen skála található.
A hidrométert a mintafolyadékba merítik addig, amíg fel nem úszik. A sűrűségértéket a skála leolvasásával állapítják meg, ahol a mintafolyadék szintje egybeesik a hidrométer skáláján lévő jelöléssel.
A legtöbb hidrométer a minták fajlagos tömegét méri: egyszerűen fogalmazva a hidrométer megmutatja a felhasználónak, hogy egy folyadék sűrűbb-e vagy kevésbé sűrű a víznél. Magasabb fajlagos tömegű folyadékban, például oldott cukrot tartalmazó vízben magasabban úszik, mint alacsonyabb fajlagos tömegű folyadékban, például tiszta vízben vagy alkoholban.
Hidrométer használatakor a felhasználónak két lehetősége van:
Az általában üvegből készült piknométer egy előre meghatározott térfogatú lombik, amelyet folyadékok fajlagos tömegének/sűrűségének mérésére használnak. Diszperziók, szilárd anyagok, sőt gázok fajlagos tömegének/sűrűségének meghatározására is alkalmas.
Helyes használat esetén a pycnometerek nagyon pontos eredményeket adnak, akár 10-5 g/cm3 pontossággal – ez megegyezik a használt digitális mérleg pontosságával (tizedesjegyek számával).
A hőmérséklet méréséhez hőmérőre is szükség van.
A piknométerrel végzett pontos mérések biztosításához felhasználói képzés szükséges.
A hordozható digitális sűrűségmérők a folyadékok fajlagos tömegének/sűrűségének gyors és pontos meghatározására szolgálnak. A digitális mérőkkel végzett sűrűség- vagy fajlagos tömeg-meghatározás két tényezőn alapul:
Az asztali digitális sűrűségmérők ugyanazt a technológiát használják, mint a hordozható digitális sűrűségmérők, vagyis az U alakú üvegcső (U-cső) rezgését. Ezen felül beépített Peltier-hőmérsékletszabályozással rendelkeznek, amely a mintát a kiválasztott hőmérsékletre hozza (pl. 20°C). A hőmérsékletszabályozás tartománya 0 °C és 95 °C között lehet. Ezek a sűrűségmérők a sűrűség esetében 0.000005 g/m3, a fajlagos tömeg esetében pedig 0.000005 pontosságot érhetnek el.
Egyes asztali digitális sűrűségmérők csatlakoztathatók egy- vagy többmintás mintakezelő automatizálási megoldásokhoz, amelyek automatizált mintavételt, öblítést és szárítást kínálnak.
Ezek a sűrűségmérők gyakran továbbfejleszthetők egy dedikált, automatizált többparaméteres rendszerré, amely a sűrűséget, törésmutatót, pH-t, színt, vezetőképességet és egyebeket egyesít, hogy időt takarítson meg, növelje az adatok minőségét, és megelőzze a minták bármilyen megváltozását az egyes elemzések között.
Az U alakú üvegcsövet használó digitális sűrűségmérők egyik előnye a szükséges kis mintatérfogat (jellemzően 1,5 mL), ami lehetővé teszi a minta gyorsabb hőmérsékleti egyensúlyát.
| Anyag | Fajsúly (20°C-on) | Sűrűség (20°C-on) |
| Dodekán | 0.746 | 0.745 g/cm3 |
| Ammonia | 0.772 | 0.771 g/cm3 |
| Kőolaj | 0.791 | 0.790 g/cm3 |
| Víz | 1.000 | 0.998 g/cm3 |
| 2,4-dichlorotoluene | 1.251 | 1.249 g/cm3 |
| Glicerin | 1.261 | 1.259 g/cm3 |
| 1-Bromonaphthalene | 1.484 | 1.481 g/cm3 |
| Higany | 13.618 | 13.593 g/cm3 |
| Anyag | FG (15°C-on) | Sűrűség (15°C-on) | FG (25°C-on) | Sűrűség (25°C-on) |
| Dodekán | 0.753 | 0.752 g/cm3 | 0.747 | 0.745 g/cm3 |
| Víz | 1.000 | 0.999 g/cm3 | 1.000 | 0.997 g/cm3 |
| 2,4-dichlorotoluene | 1.255 | 1.254 g/cm3 | 1.248 | 1.244 g/cm3 |
| 1-Bromonaphthalene | 1.487 | 1.486 g/cm3 | 1.480 | 1.476 g/cm3 |
A levegő fajsúlya 0,00121 20°C-on és 101,325 kPa légköri nyomáson (azaz tengerszinten). Ez a nyomás az időjárással együtt változik (eső vagy hó esetén alacsonyabb a nyomás), valamint a tengerszint feletti magassággal (nagy magasságban alacsonyabb a nyomás, mint tengerszinten). Például 440 m tengerszint feletti magasságban a légköri nyomás (éves átlag) mindössze 96,12 kPa, és a levegő átlagos fajsúlya 20°C-on 0,00114.
A víz fajsúlya 20°-on 1,00000. Vegyük figyelembe, hogy a víz sűrűsége a hőmérséklettel változik. 0°C-ról 4°C-ra nő (ahol közel 1), majd 4°C-ról magasabb hőmérsékletek felé csökken. A víz fajsúlya azonban nem változik a hőmérséklettel; továbbra is 1,00000 marad.
A fajsúly és a sűrűség könnyen felhasználható egy tiszta minta azonosítására, mivel minden anyagnak egyedi fajsúlya/sűrűsége van. A mérés után a vizsgált minta fajsúlyát/sűrűségét össze lehet vetni a megfelelő értékkel, hogy megállapítsuk, minek felel meg.
Az oldott anyag mennyisége egy oldószerben általában befolyásolja az így kapott oldat sűrűségét és fajsúlyát. Ha egy sor, ismert és eltérő mennyiségű oldott anyagot tartalmazó oldat fajsúlyát megmérjük, készíthető egy átváltási táblázat vagy képlet, amely az adott oldatra a fajsúlyt a koncentrációval összefüggésbe hozza.
Íme néhány tipikus alkalmazás a fajsúlymérésre:
