وحدة الكثافة
من الضروري أولاً معرفة العوامل التي تساهم في اختلاف الكثافة قبل التركيز على وحدة قياس الكثافة ؛ هذه العوامل هي:
كثافة مختلطة
- بسبب الحالة المختلفة للجسيمات الموجودة في المادة ؛ يمكن أن تحتوي المادة على جزيئات سائلة وغازية في نفس الوقت وهذا يؤثر على كثافة هذه المادة.
كتلة الذرة
- تحتوي بعض المواد على بروتونات ونيوترونات أكثر من غيرها ، مما يجعلها ضخمة جدًا لأن البروتونات والنيوترونات تمتلك كتلة أكبر من الإلكترونات ؛ لذلك ، فإن المواد التي تحتوي على إلكترونات أكثر من البروتونات والخلايا العصبية لها كتلة أقل.
بنية الروابط الذرية وقوة الروابط الجزيئية
- يؤثر ارتباط الجزيئات ببعضها البعض ، وكذلك الترابط بين الذرات ، على التركيب البلوري للمادة ، مما يؤدي إلى الصقور أو انخفاض كثافة المادة ؛ هذا يعني أن الروابط الضعيفة بها ذرات أقل لكل وحدة مساحة من الروابط التي تحتوي على ذرات أكثر.
وحدة كثافة لبعض المواد
- تبلغ كثافة الثلج 0 درجة مئوية و 0.917 جرامًا لكل مليلتر.
- تبلغ كثافة الماء عند درجة حرارة 4 مئوية 1 جرام لكل مليلتر.
- كثافة الذهب 19.31 جرام لكل مليلتر
- تبلغ كثافة خشب البلسا 0.12 جرام لكل مليلتر
- كثافة الهيليوم عند 25 درجة مئوية هي 0.000164 جرام لكل مليلتر
- تبلغ كثافة الدهون في جسم الإنسان 0.94 جرامًا لكل مليلتر.
- كثافة الهواء الجاف 25 درجة مئوية ، أي ما يعادل 0.001185 جرامًا لكل مليلتر.
- تبلغ كثافة سكر المائدة 159 جرامًا لكل مليلتر.
- تبلغ كثافة الفلين 0.22-0.26 جرام لكل مليلتر.
- كثافة الزئبق 13.5 جرام لكل مليلتر.
- تبلغ كثافة الأرض المقدرة 5.54 جرام لكل مليلتر.
- تقدر كثافة خشب الصنوبر بـ 0.35 – 0.50 جرام لكل مليلتر.
- كثافة الحديد 7.80 جرام لكل مليلتر
- كثافة الملح 2.16 جرام لكل مليلتر
- كثافة الألمنيوم 2.70 جرام لكل مليلتر.
صيغة وحدة الكثافة
- لا يمكن حساب وحدة قياس الكثافة مباشرة ، ولكن يجب قياسها باستخدام القانون الرياضي: الكثافة = الكتلة ÷ الحجم. إذا كانت وحدة الكتلة بالكيلوجرام ووحدة الحجم بالمتر المكعب ، فهذا يعني أن الكثافة هي كيلوجرام لكل متر مكعب وهذا حسب النظام الدولي للوحدات. لكل لتر.
ما هو تأثير درجة الحرارة على الكثافة؟
- لا توجد قاعدة صارمة وسريعة لتأثير درجة الحرارة على الكثافة. في معظم الحالات ، القاعدة السائدة هي أن المواد الغازية دائمًا ما تكون ذات كثافة منخفضة ، ومن ثم في درجة الكثافة ، يكون للسوائل والمواد الصلبة أعلى كثافة ، ولكن في بعض الأحيان تكون كثافة السوائل أكبر من كثافة المواد الصلبة الأخرى.
- علاقة درجة الحرارة بالطاقة الحركية للذرات أو الجزيئات في المادة الصلبة والسائلة بشكل عام ، ويمكن أن ترتبط درجة الحرارة بشكل مباشر بالحجم في المواد الغازية.
كيف تؤثر درجة الحرارة على وحدة كثافة الماء النقي
- تنخفض كثافة الماء مع زيادة درجة الحرارة بسبب زيادة الطاقة الحركية للجزيئات ، مما يؤدي إلى احتلال جزيئات الماء النقي مساحة أكبر مع ارتفاع درجة الحرارة.
ما هو تأثير درجة الحرارة على كثافة السوائل النقية
- لا تحتوي السوائل التي يرتبط بها الهيدروجين مع بعضها البعض ، مثل الإيثانول النقي ، على بنية شبكة ثلاثية الأبعاد مثل الماء ، لذلك تقل كثافة هذا السائل مع انخفاض درجة الحرارة ، على عكس الماء ، وتتصرف معظم السوائل النقية بالطريقة نفسها. مثل الإيثانول.
التطبيقات التي تستخدم فيها الكثافة
- من خلال معرفته بقانون الكثافة ، يمكن للعالم معرفة قيمة كثافة شيء أو مادة معينة ، مثل بطارية السيارة ، ونسبة شحنتها – على سبيل المثال – اكتشاف الأمراض المتعلقة باختبارات الدم ، لأن الدم له عنصر معين. قيمة الكثافة وهذه القيمة هي مؤشر على أن خلايا الدم الحمراء زائدة مما يعني أن الفرد يعاني من حالة مثل التهاب المفاصل أو الجفاف.
- يقال أن العالم اليوناني أرخميدس هو من اكتشف مبدأ الكثافة ، والذي غالبًا ما يستخدم في الحياة ، مثل معرفة نتائج تفاعل المواد ؛ على سبيل المثال ، إذا تم وضع الخشب على الماء ، فسوف يطفو بسبب كثافته الأقل من الماء ، ولكن إذا تم وضع الحديد ، فسوف يغرق في الماء لأن كثافته أكبر من كثافة الماء.
- يمكن التعرف على حركة المواد والغازات في الغلاف الجوي من خلال دراسة وحدة الكثافة لكل مادة ومعرفة قيمة كثافتها.
- السفن والغواصات وتحديد الأشياء التي تطفو أم لا. طبق البشر قوانين الكثافة على السفن من خلال صنع خزانات تحمل الهواء بأبعاد كبيرة وكتلة منخفضة ، لذلك ستكون السفينة أقل كثافة بحيث يمكنها أن تطفو فوق السطح أما الدبابات فإنها تغرق تحت الماء لتفريغ الهواء المخزن. ثم يسبحون مرة أخرى لإعادة الملء.
- فهو يتسرب من الزيت الذي تكون كثافته أقل من كثافة الماء فيطفو على سطح الماء وبالتالي يسهل تنظيفه حتى لا يضر بالبيئة.
- أنظمة السباكة التي تستفيد من معرفة قيمة الكثافة من خلال معرفة تدفق السوائل عبر الأنبوب من خلال معادلة برنولي ، والتي تُستخدم لمفهوم توفير الطاقة. نتيجة لذلك ، تتأثر سرعة السائل وضغطه وارتفاعه بكثافة هذا السائل ، وهذا يساعد المهندسين على تصميم السدود ومشاريع السباكة واسعة النطاق.
- توزيع وزن الطائرة عبر معادلة برنولي أيضًا ، وهو ما يفسر قدرة الطائرة على الطيران ، على الرغم من أنها تعتمد أساسًا على الضغط والسرعة ، وليس الكثافة ؛ ومع ذلك ، تلعب الكثافة دورًا آخر في الرحلة ، وهو توزيع الوزن على متن الطائرة.
العوامل المؤثرة على وحدة الكثافة وقيمة الكثافة
درجة الحرارة
- وكلما زاد حجمها ، زادت طاقتها ، مما يؤدي إلى تباعدها ، مما يؤدي إلى زيادة حجم المادة وتقليل قيمتها كثافتها. هذا يعني أن العلاقة بين الحجم ودرجة الحرارة علاقة مباشرة ، ولكن بينها وبين قيمة الكثافة عكسية.
الضغط
- إذا تعرض الجسم لضغط مرتفع ، فإنه يقرب جزيئاته من بعضها ، مما يقلل من حجمه ويزيد من كثافته ؛ مما يعني أن العلاقة بين الضغط والحجم هي علاقة عكسية ، ولكن بينه وبين قيمة الكثافة علاقة مباشرة.
كيف يتم حساب كثافة المادة؟
ذكرنا في السطور السابقة أن قانون الكثافة هو: الكثافة = الكتلة / الحجم ، أي ما يلي:
- إذا كان مكعب السكر يزن 11.2 جرامًا ويبلغ قياسه 2 سم من جانب واحد ، فإن حساب كثافته ، بعد الحصول على حجم هذا المكعب ، هو طول جانب المكعب ؛ هذا يعني أن 2 × 2 × 2 = 8 ، وبالتالي فإن حجم المكعب يساوي 8 سم. لذلك يمكن حساب الكثافة على النحو التالي: الكثافة = 11.2 × 8 = 1.4 جرام لكل سنتيمتر مكعب.
- إذا احتوى محلول من الماء والملح على 25 جرامًا من الملح ووضعته في 250 مليلترًا من الماء ، فكيف تُحسب كثافة الماء المالح؟ إذا كانت كثافة الماء = 1 جم / مل ؛ أولاً ، من الضروري حساب وزن وحجم المحلول الملحي على النحو التالي:
- وزن الماء = كثافة الماء × الحجم ، أي 1 × 250 = 250 جرامًا ؛ إذن وزن الماء الممزوج بالملح يساوي وزن الملح + وزن الماء ، إذن 25 + 250 = 275 جرام. هذا يعني أن كثافة الماء المالح تساوي المياه المالحة / كثافة الماء = 275/250 = 1.1 جرام لكل مليمتر مكعب.
ذكرنا في السطور السابقة وحدة قياس الكثافة والعوامل التي تؤثر على قياس الكثافة وكيف تؤثر الحرارة على الماء النقي أو السوائل كالإيثانول النقي ، كما أوضحنا قيمة كثافة بعض المواد سواء كانت سائلة أو غازية أو مواد صلبة. .