Khối lượng riêng của chất lỏng là khối lượng của một đơn vị thể tích, thường ghi bằng g/ml: nước khoảng 1,00, dầu ăn khoảng 0,92, mật ong khoảng 1,4. Hai chất lỏng không hoà vào nhau thì chất có khối lượng riêng nhỏ hơn nằm trên, chất lớn hơn chìm xuống dưới. Chỉ cần một bảng con số và một câu hỏi "chúng có hoà vào nhau không" là đoán được gần hết các lớp trong một lọ.
Khối lượng riêng là gì và vì sao lại quyết định lớp trên lớp dưới?
Hãy hình dung hai cốc giống hệt nhau, một cốc đầy nước, một cốc đầy dầu ăn. Đặt lên cân, cốc nước nặng hơn một chút. Cùng một thể tích mà nặng hơn tức là "đặc" hơn về khối lượng. Con số đo độ "đặc" ấy là khối lượng riêng.
Khi hai chất lỏng gặp nhau trong một bình, trọng lực kéo mọi thứ xuống. Phần nặng hơn trên mỗi đơn vị thể tích thắng thế, chen xuống đáy và đẩy phần nhẹ hơn lên trên. Đó cũng là lý do một vật thả vào chất lỏng thì nổi hay chìm: vật có khối lượng riêng nhỏ hơn chất lỏng thì nổi, lớn hơn thì chìm, xấp xỉ bằng thì lơ lửng.
Ba cách ghi sau là cùng một con số: g/ml, kg/lít và tấn/m³. Sách Vật lý dùng đơn vị chuẩn là kg/m³, khi đó nước là khoảng 1.000 kg/m³, dầu ăn khoảng 920 kg/m³. Chuyện đổi lít ra ký cho từng chất đã có ở bài riêng về một lít nặng bao nhiêu; bài này tập trung vào câu hỏi khác: chất nào sẽ nằm trên chất nào.
Bảng khối lượng riêng của 12 chất lỏng quen trong nhà
Các con số dưới đây là khoảng giá trị ở nhiệt độ phòng, tổng hợp từ sách giáo khoa và bảng tra phổ thông. Hàng thật có thể lệch chút ít tuỳ loại, tuỳ độ ngọt, độ mặn. Bảng xếp từ nhẹ nhất tới nặng nhất, tức là từ lớp trên cùng xuống đáy nếu chúng không hoà vào nhau.
| Chất lỏng | Khối lượng riêng (g/ml, khoảng) | Hoà với nước không? |
|---|---|---|
| Xăng | 0,72–0,75 | Không |
| Cồn (ethanol gần nguyên chất) | 0,79 | Có, hoà hoàn toàn |
| Dầu ăn thực vật | 0,91–0,92 | Không |
| Nước máy | 1,00 | — |
| Giấm ăn | khoảng 1,01 | Có |
| Nước biển | 1,02–1,03 | Có |
| Sữa tươi | khoảng 1,03 | Có |
| Nước rửa chén | khoảng 1,03–1,06 | Có, nhưng tan chậm |
| Xì dầu, nước mắm | khoảng 1,1–1,2 | Có |
| Nước muối bão hoà | khoảng 1,2 | Có |
| Siro đường đặc, sữa đặc có đường | khoảng 1,3–1,4 | Có, nhưng tan rất chậm |
| Mật ong | khoảng 1,4 | Có, nhưng tan rất chậm |
Để so sánh: thuỷ ngân trong nhiệt kế kiểu cũ có khối lượng riêng khoảng 13,6 g/ml, nặng gần gấp mười bốn lần nước. Một hòn bi sắt có thể nổi trên thuỷ ngân. Đây chỉ là con số tham khảo, thuỷ ngân độc và không dùng trong bất cứ thí nghiệm nào ở nhà.
Có bảng rồi thì đoán thứ tự các lớp như thế nào?
Đoán thứ tự lớp cần trả lời hai câu hỏi theo đúng thứ tự:
- Hai chất có hoà vào nhau không? Nếu hoà hoàn toàn như cồn với nước, chúng sẽ trộn thành một chất lỏng mới, không giữ được lớp lâu dài dù khối lượng riêng chênh nhau.
- Nếu không hoà, chất nào nhẹ hơn? Chất nhẹ hơn ở trên. Chênh nhau càng nhiều, ranh giới càng rõ và các lớp tách càng nhanh sau khi lắc.
Dầu ăn với nước là cặp kinh điển: không hoà, dầu nhẹ hơn khoảng 8%, nên lắc mạnh đến đâu thì để yên vài phút dầu cũng nổi lại thành lớp trên. Xăng với nước cũng vậy, và đây là lý do nước lọt vào bình xăng lại đọng dưới đáy.
Trường hợp "hoà nhưng chậm"
Mật ong, siro, nước rửa chén đều hoà được vào nước. Thế nhưng chúng đặc sánh và nặng hơn hẳn, nên nếu rót nhẹ tay thì vẫn tạo được lớp rõ ràng giữ được vài giờ, có khi vài ngày. Ranh giới mờ dần theo thời gian vì các phân tử đường, chất tẩy rửa từ từ khuếch tán sang lớp bên cạnh. Những cột chất lỏng nhiều màu dựa đúng vào khoảng thời gian "chưa kịp hoà" này.
Trường hợp chênh quá ít
Sữa tươi (khoảng 1,03) với nước (1,00) chênh chỉ vài phần trăm và lại hoà nhau, nên rót sữa vào nước là thấy mây trắng lan ra chứ không thành lớp. Muốn hai lớp đứng yên, cần chênh lệch đủ lớn hoặc cần chất ở dưới thật sánh để làm chậm sự trộn.
Tự đo khối lượng riêng ở nhà bằng cân bếp được không?
Được, và khá chính xác nếu làm cẩn thận. Cần một cân điện tử nhà bếp chia vạch 1 g và một dụng cụ đong có vạch rõ, tốt nhất là ống đong hoặc xilanh nhựa 50–100 ml.
- Đặt cốc rỗng lên cân, bấm nút trừ bì để cân về 0.
- Rót đúng 100 ml chất lỏng vào cốc (đong trong ống đong rồi đổ sang, hoặc đong thẳng nếu cốc có vạch đáng tin).
- Đọc số gam trên cân. Chia số gam cho 100 là ra khối lượng riêng theo g/ml.
Ví dụ 100 ml dầu ăn cân được 92 g thì khối lượng riêng khoảng 0,92 g/ml. Với chất sánh như mật ong, khó đong cho đúng 100 ml vì phần bám thành. Cách gọn hơn là đặt hẳn ống đong lên cân, trừ bì, rồi rót mật ong vào ống tới vạch, đọc cả thể tích lẫn khối lượng trên cùng một dụng cụ.
Sai số chủ yếu đến từ việc đọc vạch. Cân lệch 1 g trên 100 g chỉ gây sai 1%, nhưng đọc vạch lệch 3–4 ml đã sai 3–4%. Đong càng nhiều thì sai số tương đối càng nhỏ.
Nhiệt độ, độ ngọt, độ mặn làm khối lượng riêng thay đổi ra sao?
Khối lượng riêng không cố định tuyệt đối. Ba yếu tố hay gặp nhất:
- Nhiệt độ: hầu hết chất lỏng nở ra khi nóng, nên nóng thì nhẹ đi. Nước ở khoảng 4 °C nặng nhất, gần 1,000 g/ml; ở 25 °C khoảng 0,997; gần sôi còn khoảng 0,96. Nước nóng vì thế có xu hướng nổi trên nước lạnh.
- Chất hoà tan: đường và muối làm nước nặng lên. Nước đường 20% theo khối lượng có khối lượng riêng khoảng 1,08 g/ml; nước muối càng mặn càng nặng, tới bão hoà khoảng 1,2.
- Chất béo và bọt khí: sữa nguyên kem nhẹ hơn sữa tách béo một chút vì chất béo nhẹ. Chất lỏng lẫn nhiều bọt khí thì nhẹ hẳn đi so với lúc đã lắng bọt.
Hệ quả thực tế: hai chất lỏng tưởng giống nhau như nước máy và nước muối loãng vẫn có thể xếp lớp nếu rót cẩn thận, vì nước muối nặng hơn. Nhuộm màu một bên sẽ thấy rõ ranh giới trong vài phút đầu.
Những hiểu lầm hay gặp về chất lỏng nặng nhẹ
"Chất sánh thì nặng"
Sai. Độ sánh (độ nhớt) và khối lượng riêng là hai đại lượng khác nhau. Dầu ăn sánh hơn nước nhiều lần nhưng vẫn nổi trên nước. Mật ong vừa sánh vừa nặng, nên dễ khiến người ta gộp hai khái niệm làm một.
"Một ly đầy dầu nặng hơn một ly nước vì dầu béo"
Sai. Cùng thể tích, dầu nhẹ hơn nước khoảng 8%. Cảm giác "nặng bụng" khi ăn đồ nhiều dầu là chuyện dinh dưỡng, không phải chuyện khối lượng riêng.
"Chất nhẹ hơn thì luôn nổi lên"
Chỉ đúng khi hai chất không hoà vào nhau hoặc chưa kịp hoà. Rót cồn lên nước có thể thấy một lớp tạm thời, nhưng khuấy một lần là hai thứ trộn hẳn vào nhau và không bao giờ tự tách lại thành lớp.
Biết khối lượng riêng để làm gì trong đời sống?
- Đoán chỗ vớt: váng dầu mỡ nổi trên mặt nồi canh, cặn nước đọng dưới đáy can dầu.
- Hiểu nhãn "lắc kỹ trước khi dùng": hạt nặng hơn chất lỏng thì lắng xuống đáy theo thời gian.
- Chọn giống bằng nước muối: hạt chắc đặc ruột nặng hơn nước muối nên chìm, hạt lép nổi.
- Đo độ ngọt, độ mặn: tỷ trọng kế là một chiếc phao có vạch, nổi cao hay thấp tuỳ khối lượng riêng của chất lỏng.
- Pha đồ uống nhiều tầng: lớp nhiều đường ở dưới, lớp ít đường ở trên.
Một bài tập nhỏ để mang về: lấy năm cốc thuỷ tinh nhỏ, đổ lần lượt nước, dầu ăn, nước muối đặc, nước đường đặc và nước rửa chén. Trước khi thử, ghi dự đoán thứ tự lớp ra giấy dựa vào bảng ở trên, rồi rót từng cặp vào một lọ trong để kiểm tra. Không nếm bất cứ thứ gì sau khi đã trộn.
Câu hỏi thường gặp
Khối lượng riêng của nước là bao nhiêu?
Khoảng 1.000 kg/m³, tức khoảng 1 g/ml hay 1 kg/lít ở nhiệt độ thường. Nước nặng nhất ở khoảng 4 °C và nhẹ đi chút ít khi nóng lên. Trong việc nhà có thể coi một lít nước nặng một ký.
Khối lượng riêng và trọng lượng riêng khác nhau thế nào?
Khối lượng riêng là khối lượng trên một đơn vị thể tích, đơn vị kg/m³. Trọng lượng riêng là trọng lượng trên một đơn vị thể tích, đơn vị N/m³, bằng khối lượng riêng nhân gia tốc trọng trường khoảng 9,8 m/s². Với nước, trọng lượng riêng khoảng 9.800–10.000 N/m³.
Chất lỏng nào nặng nhất trong bếp?
Thường là mật ong, khoảng 1,4 g/ml, tiếp theo là siro đường đặc và sữa đặc có đường, khoảng 1,3–1,4 g/ml. Vì vậy chúng luôn nằm dưới đáy khi xếp cột nhiều lớp.
Vì sao dầu nổi trên nước?
Dầu ăn có khối lượng riêng khoảng 0,92 g/ml, nhẹ hơn nước, và dầu không hoà vào nước. Hai điều kiện cùng lúc khiến dầu luôn tách thành lớp nổi phía trên, kể cả sau khi lắc mạnh.
Làm sao biết chất lỏng nặng hay nhẹ hơn nước mà không cần cân?
Rót nhẹ một ít chất lỏng đó vào cốc nước trong. Nếu nó chìm xuống đáy là nặng hơn, nổi trên mặt là nhẹ hơn. Cách này chỉ dùng cho chất an toàn trong bếp và không nếm sau khi thử.
