وحدة قياس الكثافة وقانونها

وحدة الكثافة

من الضروري أولاً معرفة العوامل المساهمة في اختلاف الكثافة قبل التركيز على وحدة قياس الكثافة. هذه العوامل هي:

كثافة مختلطة

هذا بسبب الاختلاف في حالة الجسيمات التي تحتوي عليها المادة ؛ يمكن أن تحتوي المادة على جزيئات سائلة وغازية في نفس الوقت وهذا يؤثر على كثافة هذه المادة.

كتلة الذرة

تحتوي بعض المواد على عدد من البروتونات والنيوترونات أكثر من غيرها ، مما يجعلها ضخمة جدًا لأن كتلة البروتونات والنيوترونات أكبر من كتلة الإلكترونات ؛ هذا هو السبب في أن المواد التي تحتوي على إلكترونات أكثر من البروتونات والنيوترونات لها كتلة أقل.

بنية الروابط الذرية وقوة الجزيئات الرابطة

يؤثر الارتباط المتبادل للجزيئات ، وكذلك ارتباط الذرات ، على التركيب البلوري للمادة ، مما يؤدي إلى حدوث وميض أو انخفاض في كثافة المادة. بعبارة أخرى ، تحتوي الروابط الضعيفة على عدد أقل من الذرات لكل وحدة مساحة مقارنة بالروابط التي تحتوي على ذرات أكثر.

وحدة قياس كثافة بعض المواد

تبلغ كثافة الثلج 0.917 جرامًا لكل مليلتر عند درجة حرارة صفر مئوية.
تبلغ كثافة الماء عند 4 درجات 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.
تبلغ كثافة الهواء الجاف 25 درجة مئوية عند درجة حرارة 0.001185 جرام لكل مليلتر.
كثافة سكر المائدة 159 جرام 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
تقدر كثافة الملح بـ 2.16 جرام لكل مليلتر
كثافة الألمنيوم 2.70 جرام لكل مليلتر.

قانون وحدات 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 الكثافات بالكيلوجرام للمتر المكعب وهو حسب النظام الدولي للوحدات أكثر الوحدات شيوعًا للكثافة هي جرامات لكل مليلتر أو جرام لكل لتر.

ما هو تأثير درجة الحرارة على الكثافة؟

لا توجد قاعدة ثابتة لتأثير درجة الحرارة على الكثافة ، في معظم الحالات القاعدة السائدة هي أن المواد الغازية ذات كثافة منخفضة باستمرار ، ومن ثم في درجة الكثافة ، تكون المواد السائلة والمواد الصلبة هي الأكثر كثافة ، ولكن في بعض الأحيان كثافة المواد السائلة أكبر من كثافة المواد الصلبة الأخرى.
يمكن ربط علاقة درجة الحرارة بالطاقة الحركية للذرات أو الجزيئات في المواد الصلبة والسوائل بشكل عام ، وفي المواد الغازية ترتبط درجة الحرارة مباشرة بالحجم.

كيف تؤثر درجة الحرارة على كثافة وحدة 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؟

السوائل التي يرتبط بها الهيدروجين مع بعضها البعض ، مثل الإيثانول السائل النقي ، لا تشتمل على بنية الشبكة ثلاثية الأبعاد التي يقوم بها الماء ، لذلك تقل كثافة هذا السائل مع انخفاض درجة الحرارة ، على عكس الماء ، وتعتبر معظم السوائل النقية تتصرف نفس الإيثانول.

التطبيقات التي تستخدم فيها الكثافة

من خلال معرفته بقانون الكثافة ، يمكن للعالم التعرف على قيمة كثافة الجسم أو مادة معينة ، مثل بطارية السيارة ، ونسبة شحنتها – على سبيل المثال – اكتشاف الأمراض المتعلقة بفحص الدم ، لأن الدم له قيمة محددة من حيث الكثافة ، وهذه القيمة هي علامة على أن خلايا الدم الحمراء زائدة ، مما يشير إلى أن الفرد يعاني من مرض مثل التهاب المفاصل أو الجفاف.
يشار إلى أن العالم اليوناني أرخميدس اكتشف مبدأ الكثافة الذي يستخدم على نطاق واسع في الحياة ، مثل معرفة نتائج تفاعل المواد مع بعضها البعض. على سبيل المثال ، إذا تم وضع الخشب على الماء ، فإنه يطفو بسبب كثافته الأقل من الماء ، ولكن إذا تم وضع الحديد ، فإنه 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 أو لا تطفو ، وقد طبق الناس قوانين الكثافة على السفن من خلال صنع الدبابات التي تحمل الهواء بحجم كبير ووزن صغير ، مما يجعل السفينة أقل كثافة بحيث يمكن أن تطفو مرة أخرى.
انسكابات الزيت التي تكون كثافتها أقل من كثافة الماء ، تطفو على سطح الماء وبالتالي تسهل تنظيفها حتى لا تضر 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 السوائل وضغطها وارتفاعها بكثافة هذا السائل ، وهذا يساعد المهندسين على تصميم السدود ومشاريع السباكة واسعة النطاق.
توزيع وزن الطائرة باستخدام معادلة برنولي أيضًا ، وهو ما يفسر قدرة الطائرة على الطيران ، على الرغم من أنها تعتمد أساسًا على الضغط والسرعة ، وليس الكثافة ؛ ومع ذلك ، أثناء الطيران ، تلعب الكثافة دورًا إضافيًا في توزيع الوزن على متن الطائرة.

العوامل المؤثرة في قيمة الكثافة ووحدة قياس الكثافة

درجة حرارة

فكلما زادت جسيماتها ، زادت الطاقة بسبب ابتعادها عن بعضها البعض ، وبالتالي زاد حجم المادة وتناقصت قيمة كثافتها. هذا يعني أن العلاقة بين الحجم ودرجة الحرارة علاقة مباشرة ، ولكن بينها وبين قيمة الكثافة معكوسة.

ضغط

إذا تعرض الجسم لضغط مرتفع ، فإن هذا يتسبب في تقارب جزيئاته من بعضها البعض ، مما يقلل من حجمه ويزيد من قيمته كثافته. هذا يعني أن العلاقة بين الضغط والحجم عكسية ، ولكن بينه وبين قيمة الكثافة مباشرة.

كيف يتم حساب كثافة المادة؟

ذكرنا في السطور السابقة أن قانون الكثافة هو: الكثافة = الكتلة / الحجم ، وهذا يعني ما يلي:

إذا كان وزن مكعب السكر 11.2 جرامًا وقياسه 2 سم على جانب واحد ، فسيتم حساب كثافته بعد الحصول على حجم هذا المكعب على طول المكعب الجانبي. 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 وجد محلول من الماء والملح بكمية 25 جرام من الملح ووضعه في 250 مل من الماء ، فكيف يتم حساب 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 × حجمه ، أي 1 × 250 = 250 جرام ؛ إذن وزن الماء الممزوج بالملح يساوي وزن الملح + وزن الماء أي 25 + 250 = 275 جرام. هذا يعني أن كثافة الماء المالح تساوي الماء المالح / حجم الماء = 275/250 = 1.1 جرام لكل مليمتر مكعب.

في السطور السابقة ذكرنا وحدة قياس الكثافة والعوامل التي تؤثر على قياس الكثافة وكيف تؤثر درجة الحرارة سواء على الماء النقي أو السوائل مثل الإيثانول النقي ، كما أوضحنا قيمة كثافة بعض المواد سواء كانت سائل أو غازي أو ثابت.