相对密度曾称为比重。但编辑如果见到书稿中的比重就改为相对密度,则很可能发生差错,因为比重现仍用于力学中,表示单位体积的物质承受的重力,也就是说作为相对密度旧称的比重其实有多种含义。比重、密度、相对密度之间到底有什么联系和区别呢?笔者将在本文做出解析。
为还原比重的真面目,笔者查阅了不同版本的《辞海》,解释如下。
1936年版:“比重(specific gravity) 物理学名词,物质之密度与摄氏四度纯水密度之比,称为此物质之比重。申言之,比重者物质任意体积之重量与同体积之摄氏四度纯水之重量之比也。此定义为对固体液体而言,至气体之比重,则以在同一压力与温度下之空气为标准。就同一体积而言,表物质或轻或重时,多不用密度而用比重.....”[1]
1979年版:“比重 物体的重量和其体积的比值。常用单位为g/cm3、N/m3等。有些国家把比重规定为物体的重量和同体积水的重量之比,这时,‘比重’没有量纲,因而也没有单位。”[2]
2009年版:“比重 物体所受重力和其体积的比值,常用单位N/m3等。有些国家把比重规定为物体的质量和同体积水的质量之比,这时,‘比重’没有量纲,因而也没有单位。”[3]
从《辞海》中可以看出,在20世纪30年代,比重已被国人所认知,并且此时对气体的比重也做了详细规定;更难能可贵的是,它明确写出这一比重定义对应的英文是“specific gravity”,这一英文提示对全面理解比重的含义至关重要。1979年版《辞海》中比重多了一个含义,即物体的重量和其体积的比值,其单位为g/cm3、N/m3等。从单位“g/cm3”来看,此时的比重也有“密度”的含义,这是那个时期人们使用习惯的一种反映,因为比重与密度在数值上极其接近,造成有的人在使用时不加区分。这一点在李行健主编的《现代汉语规范词典》中也有所反映,该词典中比重词条明确写出其为密度的旧称,密度词条则注明了其“旧称比重”[4]。从单位“N/m3”得知,比重还是一个与力有一定关系的物理量。第二个含义与1936年版中比重的概念是一致的,不过前面加上了“有些国家”4个字,意味着这时我国已经不再使用这个概念了。2009年版《辞海》对比重的解释非常清晰和严谨,它把1979年版比重定义中所涉及的重量分别改成了重力和质量,让读者很清楚地体会到了它要传达的意思;并且也没再出现“g/cm3”这个单位,说明此时大家对比重和密度已经做了严格区分。
从以上分析可知,曾经,物体的质量与同体积水的质量之比叫作比重,但现在已不是推荐的物理量名词;现在,比重就是物体所受到重力与其体积的比值。结合1936年版《辞海》,也就是说specific gravity已不再使用,那现在使用的比重源自何处呢?它对应的英文是什么呢?
如果在百度中输入“specific gravity”,在搜索出来的条目里经常伴随着specific gravity出现的specific weight让人难以忽视。如果同时输入这两个词条,则会有许多英文资料解释两者之间的区别,specific weight和specific gravity都应该翻译为比重,但是这两个词的含义却是大相径庭。
specific gravity是物质质量与同体积参考物质的质量之比。对气体,参考物质是空气,对绝大部分液体和固体,参考物质是水,specific gravity与压力和温度相关,量纲一。
specific weight与specific gravity听起来非常相像,但却是一个完全不同的物理量。weight是一种力,其单位是N;specific weight是单位体积物质所受到的重力,常用希腊字母
由上可知,2009年版《辞海》中的比重就是specific weight,它的中文定义和在英文中的解释是完全相同的,仅仅用在力学领域;比重不再表示specific gravity,含义缩小了。
按照习惯,当“比”(specific)加在量的名称之前时,大多用以表示该量被质量除得之商,由此构成的新量称为“比量”[6],如比容、比表面积等,有时也用以表示该量被本身的某一物理量所除之商,如比旋光度,但比重既不是被本身物理量所除,且此含义中的比重(specific gravity)与“重”也毫无关系,因此1978年国际纯粹和应用物理学协会(IUPAP)所属符号单位和术语委员会建议取消该术语。而specific weight中,“重”代表重力,且是物质受到的重力被本身的体积所除,可以理解为符合物理学中“比”的含义,所以被保留了下来。我国在科学技术领域执行国际规范向来比较严格,所以GB3102.3—93中,比重(specific gravity)已经不再出现,而代之以相对密度,但由于比重的这一含义在当时的我国影响颇深且一些工具书如《现代汉语词典》中一直到2002年还在沿用这一概念[7],大家在文献资料中看到比重一词最先联想到的也是相对密度,看到工程领域中以N/m3为单位的比重时引起一些人尤其是理科出身的人的困惑也是可能的。1936年版《辞海》仅给出了specific gravity这一比重的含义,可能是因为当时条件所限我们对比重的另一个含义specific weight了解较少。估计在编撰1979年版《辞海》时适逢IUPAP取消specific gravity的概念,但此时国人却发现英文中还存在specific weight的概念,并且也只能被翻译为比重,所以就把比重的两个概念都进行了说明。
密度指物质的质量与其体积的比值,符号为
密度是物质的特性之一,利用密度可以鉴别物质、计算很难称量的物体的质量或形状比较复杂的物体的体积、判断物体是实心还是空心、计算液体内部的压力等。
在材料科学领域,为了多方面表示物质的密度性质,还衍生出了真密度、表观密度、堆积密度等各种表示方式。如真密度为多孔物质的质量除以去掉开孔和闭孔后的体积,即同种物质在无孔状态下的密度,也就是理论密度;表观密度,又叫视密度、假密度,指多孔物质的质量与表观体积之比,表观体积是实体积加闭口孔隙体积,此体积即固体排开水的体积;堆积密度,也叫松密度,指粉末或颗粒状物质在自然堆积状态下单位体积的质量,此时的体积包括颗粒体积和颗粒之间空隙的体积。
相对密度是物质的密度与参考物质的密度在各自规定条件下之比,这一定义的包含性很强,它使任何两个物质之间的密度都可以进行比较,而不是像以往的比重那样只能以水做参考物质,在这个定义下,以往的比重成了相对密度的一个特例。
相对密度的符号为
虽然相对密度的定义包含性很强,但是在工具书和文献中,我们查阅到的相对密度数据大多为
气体的相对密度通常以1个大气压、20℃ 时的空气为标准进行比较。由理想气体状态方程可以推出,此时空气的密度为1.205g/dm3。
即直接比较某种气体和空气的摩尔质量或分子量即可大致预测其相对密度。之所以说大致预测是因为此公式是把待测气体和空气都作为理想气体,也就是说认为在给定温度和压力下相同物质的量的待测气体和空气占据的体积相同而推导出来的,而真实情况是只有在非常低的压力下气体的行为才接近于理想气体。
相对密度可以帮我们判断物质在流体中的浮沉或推算未知物的密度,地理学家和地质学家通过相对密度判断岩石或其他样品中矿物的含量,宝石鉴定时也会借助于相对密度。现在表示固体的性质时,“密度”已经几乎完全取代了“相对密度”,因为用密度表示单位体积某物质的质量,概念准确、数值精确,“相对密度”仅在部分场合用于描述液体和气体的性质。
以上讨论的为比重、密度和相对密度作为物理量时的一般含义及其相互联系和区别,在其他专业领域,比重、密度和相对密度还具有其他含义。
比重可用于指部分在整体中所占的分量,在日常生活、国民经济中经常使用,如:我国第三产业在整个国民经济中的比重逐年增长。
密度可用于指疏密的程度,如:人口密度。
在生态学中,相对密度指单位面积中反映生物数量多少的相对指标。
比重、密度和相对密度的这些含义与它们作为物理学名词中的定义还是很容易区分的,使用时稍加留意即可。
比重这一名词今昔的概念和内涵其实已截然不同。曾经大家熟悉的那个比重改成了相对密度,现仍在使用的比重衡量的是受力大小。相对密度的定义包含性很强,但是其数据却难以摆脱旧时比重的影子。正确理解比重、密度和相对密度之间的关系,方可使我们对所用数据知其然并知其所以然。