مقدمه
چگالی جزء اصلاحات پرکاربردی است که در دوران مدرسه و حتی دانشگاه با آن برخورد خواهید کرد. با این حال ممکن است ندانید که مفهوم دقیق چگالی چیست و چگونه محاسبه میشود! یا شاید بخواهید تسلط بیشتری بر این مبحث پیدا کنید. در اینصورت به جای کاملا درستی آمدهاید. چگالی یک پارامتر فیزیکی اساسی است که میزان جرم موجود در یک حجم معین از ماده را اندازه میگیرد. به عبارت دیگر، چگالی نشان دهنده میزان فشردگی یک ماده نسبت به سایر مواد است. در این مطلب به طور کامل توضیح میدهیم که چگالی چیست و چه کاربردهایی دارد، چگونه میتوانید آن را محاسبه کنید و با چه واحد و نمادی معرفی میشود.
چگالی چیست؟
چگالی (دانسیته) یک ماده به عنوان جرم آن در واحد حجم تعریف میشود. به عبارت دیگر، چگالی نسبت بین جرم و حجم یا جرم در واحد حجم است. چگالی، معیار اندازه گیری مقدار «ماده» یک جسم در واحد حجم (متر مکعب یا سانتی متر مکعب) است. چگالی اساساً نشان میدهد که ماده یا جرم تشکیل دهنده یک جسم چقدر متراکم است. هر چه یک جسم متراکمتر باشد، چگالی بیشتری دارد. اصل چگالی توسط دانشمند یونانی ارشمیدس کشف شد و اگر فرمول چگالی را بدانید و واحدهای مربوط به آن را درک کنید، محاسبه آن آسان است.
نمونههای چگالی چیست؟
فلزاتی که با ثابت در نظر گرفتن حجم، جرم بیشتری نسبت به سایر فلزات دارند، ماده متراکم نامیده میشوند. پلاتین، طلا و … نمونههایی از فلزات متراکم هستند، در حالی که سدیم و پتاسیم جزء فلزات کم چگالی محسوب میشوند. مواد متراکم موادی هستند که به راحتی فشرده نمی شوند، در حالی که موادی با چگالی کمتر مانند پنبه و استایروفوم موادی هستند که به راحتی میتوان آنها را فشرده کرد.
نماد چگالی و سایر نامهای چگالی چیست
نماد چگالی در اکثر منابع فیزیک، حرف یونانی ρ است که به صورت رو یا rho تلفظ میشود. چگالی گاهی اوقات با حرف D نیز نمایش داده میشود. همچنین چگالی با عناوین دیگری نظیر دانسیته، جرم حجمی و جرم مخصوص یا ویژه نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
فرمول چگالی چیست
برای محاسبه چگالی مواد از فرمول زیر استفاده میشود:
حجم/جرم= چگالی (ρ = m/V)
که در این فرمول:
Ρ چگالی ماده، m جرم ماده و V حجم ماده است.
مثال: یک بلوک چوبی دارای جرم ۸ گرم و حجم ۱۰ سانتی متر مکعب است. چگالی آن چقدر است؟
ρ = m/V
۰٫۸= ۱۰/۸
واحد (یکا) چگالی
چگالی میتواند با یکاها و واحدهای مختلفی تعریف شود. اگر برای جرم و حجم به واحدهای SI استناد کنیم، یکای چگالی بر حسب واحدهای SI کیلوگرم بر مترمکعب یعنی kg/m3 خواهد بود. چگالی با واحد گرم بر سانتی متر مکعب نیز تعریف میشود. سایر واحدهای چگالی که ممکن است در مسائل به آنها برخورد کنید، عبارتند از:
- کیلوگرم بر لیتر
- گرم بر میلی لیتر
- تن بر مترمکعب
- کیلوگرم بر دسی لیتر
- گرم بر سانتی متر مکعب
چگالی نسبی (RD)
یکی از مفاهیم مرتبط با چگالی، وزن مخصوص (SG) یا چگالی نسبی است. چگالی نسبی یک ماده به صورت نسبت چگالی ماده به چگالی یک ماده مرجع تعریف میشود. ماده مرجع میتواند هر مادهای باشد. اما معمولا برای مایعات، آب به عنوان ماده مرجع و برای گازها، هوا به عنوان ماده مرجع در نظر گرفته میشود. چگالی نسبی نشان میدهد که آیا یک جسم به خصوص به عنوان مثال در آب شناور میماند یا در آن فرو میرود. اگر چگالی نسبی یک جسم کمتر از یک باشد، در آب شناور میشود. در حالیکه وزن مخصوص بیشتر از یک به معنای فرو رفتن (غرق شدن) آن جسم در آب است. اگر ماده مرجع را هوا در نظر بگیریم، بالا رفتن بالن در هوا میتواند مثال خوبی باشد. در واقع همین اصل چگالی نسبی به یک بالون پر از هوای گرم اجازه میدهد تا نسبت به بقیه هوا شناور شود.
چگالی حالتهای مختلف ماده
چگالی مواد در حالتهای مختلف با هم متفاوت است. گازها یکی از کم چگالیترین مواد هستند زیرا فاصله میان ذرات آنها بسیار زیاد است و میتوانند به شدت فشرده شوند. چگالی مواد عموماً در حالت گازی کمترین مقدار است، در حالت مایع بیشتر میشود و در حالت جامد به بیشترین مقدار میرسد. زیرا جامدات دارای ذرات متراکم هستند، مایعات موادی هستند که ذرات آنها میتوانند در اطراف یکدیگر بلغزند و گازها دارای ذراتی هستند که آزادانه به هر طرف حرکت میکنند.
چگالی حالات مختلف ماده در تصویر زیر نشان داده شده است. با این حال لازم به ذکر است که در مورد آب یک استثناء وجود دارد؛ چگالی آب در حالت مایع بیشتر از حالت جامد (یخ) است.
از چپ به راست: (گاز، مایع، جامد، چگالی بالا ⇐ چگالی پایین).
کاربرد چگالی
کاربردهای مختلف چگالی در زندگی روزمره شامل موارد زیر هستند:
جداسازی مواد: مواد مختلف را میتوان با استفاده از تکنیکهای چگالی از هم جدا کرد. به عنوان مثال روغن را میتوان از آب جدا کرد زیرا چگالی کمتری نسبت به آب دارد و روی سطح آب شناور میماند؛ بنابراین به راحتی قابل جداسازی است.
عملکرد زیردریاییها: زیردریاییها با تغییر چگالی خود نسبت به آب به زیر دریا میروند و سپس از آن خارج میشوند. اگر چگالی زیردریایی کمتر از آبی باشد که در آن شناور است، روی آب میماند و اگر چگالی زیردریایی بیشتر از آب باشد، به داخل آب میرود.
شناور ماندن کشتیها: کشتیهایی که از فولاد و سایر فلزات سنگینتر ساخته شدهاند، علیرغم اینکه چگالتر از آب هستند روی آن شناور میمانند زیرا طراحی آنها بهگونهای است که حجم زیادی داشته باشند. با افزایش حجم، چگالی کشتی کمتر از آب میشود و روی آب شناور میماند.
مسائل چگالی
۱. دو جعبه با حجم یکسان بردارید. جعبه اول را با x تعداد توپ و جعبه دوم را با X۶توپ پر کنید. اگر جرم هر توپ یکسان باشد، وزن کدام جعبه بیشتر خواهد بود؟
راه حل: جعبهای که توپهای بیشتری دارد، در واحد حجم جرم بیشتری دارد. در اینجا جعبه اول حاوی x تعداد توپ و جعبه دوم شامل تعداد ۶ برابر توپ است. از آنجایی که تعداد توپهای جعبه دوم ۶ برابر جعبه اول است، جعبه دوم وزن بیشتری خواهد داشت. به این خاصیت ماده، چگالی میگویند.
۲. اگر جرم آب ۱۱۶۰ کیلوگرم و حجم آن ۱ متر مکعب باشد، چگالی آب را محاسبه کنید؟
با توجه به دادههای مسئله: جرم = ۱۱۶۰ کیلوگرم و حجم = ۱ متر مکعب. با توجه به فرمول چگالی (حجم/جرم= چگالی):
ρ = ۱۱۶۰/۱ = ۱۱۶۰ کیلوگرم بر متر مکعب
۳. اگر یک سنگ کربن با حجم ۰٫۰۴۲ سانتی متر مکعب و جرم ۰٫۱۴ گرم پیدا کنید، گرافیت است یا الماس؟ چگالی گرافیت ۲٫۲۶۶ گرم بر سانتی متر مکعب و چگالی الماس ۳٫۵۱ گرم بر سانتی متر مکعب است.
باتوجه به دادههای مسئله:
حجم سنگ براق = ۰٫۰۴۲ cm³
جرم سنگ براق = ۰٫۱۴ گرم
چگالی گرافیت = ۲٫۲۶۶ گرم بر سانتی متر مکعب
چگالی الماس = ۳٫۵۱ گرم بر سانتی متر مکعب
از معادله چگالی برای بدست آوردن m، جرم گرافیت و جرم یک الماس استفاده کنید.
ρ = m/V
m = Ρv
m = ۲٫۲۶۶ g/cm³ x ۰٫۰۴۲ cm³ = ۰٫۰۹۵۱ g برای گرافیت
m = ۳٫۵۱ g/cm3 x ۰٫۰۴۲ cm³ = ۰٫۱۴۷۴ g برای الماس
جرم سنگ براقی که پیدا کردید با جرم الماس یکسان است.
جمع بندی
چگالی یک ماده رابطه بین جرم ماده و میزان فضای اشغال شده (حجم) آن است. جرم اتمها، اندازه و نحوه چیدمان آنها چگالی یک ماده را تعیین میکند. فرمول چگالی برابر با جرم ماده تقسیم بر حجم آن است(D = m/v). در بخشهای فوق توضیح دادیم که چگالی چیست، چگونه محاسبه میشود و چه کاربردی در زندگی روزمره دارد. امیدواریم مطالعه مطلب امروز برای شما مفید واقع شده باشد.
