تعتبر وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي من أهم الوحدات لأنها مرتبطة بالعديد من التطبيقات في العلوم والحياة، لذلك هناك العديد من الشروحات العلمية التفصيلية حول الكثافة وطبيعة قياس وحداتها والطرق المطلوبة. لأهميته في مختلف النواحي العلمية.
تعريف الكثافة
- للكثافة معاني عديدة حيث يتم تعريفها من تعريفات مختلفة.
- من المقبول على نطاق واسع أن الكثافة هي إحدى الخصائص الفيزيائية للمواد ذات الأنواع المختلفة، ولكل مكون كثافة محددة ومحددة تختلف عن كثافة المواد الأخرى.
- تُعرّف الكثافة علميًا بأنها العلاقة بين كتلة الجسم وحجمه.
- تختلف قيمة الاختلاف في كثافة المواد باختلاف الظواهر الطبيعية، مثل الغرق أو الطفو.
- ظاهرة التيارات المائية في المحيطات، ظاهرة تيارات الهواء البارد والساخن، وظواهر أخرى.
أنظر أيضا: الخصائص الفيزيائية والكيميائية للخشب
العوامل المؤثرة على كثافة المواد
تؤثر بعض العوامل وتساهم في اختلاف واضح بين كثافة المواد المختلفة، ومن أهمها ما يلي:
الكتلة الذرية
- تتكون نواة أي ذرة من مجموعة أو عدد محدد من الجسيمات الصغيرة مقسمة إلى ثلاثة أنواع، بروتونات جسيمات مشحونة إيجابياً، نيوترونات بدون شحنة أو جسيمات متساوية، وجسيمات إلكترونية سالبة.
- يمثل رقم الكتلة الذرية مجموع هذه الجسيمات بنسب معينة.
- تمتلك الذرات التي تحتوي على عدد أكبر من جسيمات البروتونات والنيوترونات كتلة أكبر من تلك التي تحتوي على عدد أقل.
- تكون كتلة جسيمات الإلكترون أقل من مجموع كتلة جسيمات البروتونات والنيوترونات، وبالتالي فإن الذرة التي تحتوي على أكبر عدد من جسيمات الإلكترون لها كتلة أقل من الذرات الأخرى.
قوة الروابط الجزيئية
- تعتبر الروابط بين ذرات الجزيئات التي تتكون منها المادة من أهم العوامل التي تحدد الخصائص المختلفة لهذه المادة، وأهمها الكثافة.
- يتم تحديد حالة المادة نفسها، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية، حسب نوع وهيكل الروابط بين الذرات في الجزيء.
- تعمل قوة روابط هذه الجزيئات فيما بينها على الاختلاف في التركيب البلوري للمادة ككل، مما يؤثر على كثافتها.
- كلما زاد عدد الروابط، زاد عدد الذرات الموجودة في مساحة صغيرة، مما يزيد الكثافة.
- كلما قل عدد الروابط، قل عدد الذرات الموجودة في مساحة أصغر، مما يقلل الكثافة.
كثافة مختلطة
- تحتوي بعض المواد على جزيئات في حالة سائلة بجوار الجزيئات في الحالة الغازية، وهذا ما يسمى بمصطلح الكثافة المختلطة.
- يؤثر الاختلاف في طبيعة وحالة الجسيمات داخل مادة ما بشكل مباشر على كثافتها.
وحدة الكثافة في النظام الدولي
- بعد تحديد مفهوم الكثافة، يتضح أنه لا يمكن قياس الكثافة دون معرفة الكتلة وعدد الأجسام التي يتم قياس كثافتها.
- وفي الوقت نفسه، فإن القانون الرياضي المستخدم لقياس الكثافة هو (كثافة الجسم تساوي كتلة الجسم مقسومة على حجمه). يجب تحديد كتلة وحجم الجسم من أجل تحديد كثافته بدقة.
- وحدة SI للكثافة هي وحدة SI للكتلة مقسومة على وحدة SI للحجم.
- وحدة الكتلة في النظام الدولي للوحدات هي الكيلوجرام، بينما وحدة الحجم في النظام الدولي للوحدات هي المتر المكعب، لذا فإن وحدة الكثافة في النظام الدولي للوحدات هي الكيلوجرام لكل متر مكعب.
- يعرّف النظام الدولي للوحدات القياسية وحدة الكثافة على أنها كيلوغرام واحد لكل متر مكعب.
- توجد بعض الوحدات الأكثر استخدامًا لقياس كثافة المواد التي تكون أصغر من وحدة الكثافة في النظام الدولي للوحدات، في هذه الوحدات: جرام لكل مليمتر وجرام لكل لتر، وهي فعالة في قياس كثافة المواد بأحجام صغيرة.
تختلف كثافة المواد باختلاف درجة الحرارة
- المعلومات الأساسية والحقيقة العلمية المقبولة غالبًا هي أن المواد الصلبة لديها أعلى كثافة، تليها المواد السائلة ذات الكثافة الأقل، وأخيرًا المواد الغازية هي الأقل كثافة.
- لم يتم إثبات أن هذه الحقيقة تنطبق على جميع المواد في جميع الحالات أو في ظل ظروف مختلفة.
- اتضح أن هناك مواد سائلة يمكن أن تكون كثافتها أكبر من المواد الصلبة، من خلال وجود علاقة قوية بين درجة حرارة هذه المواد وكثافتها.
- ترتبط درجة الحرارة بحركة الذرات داخل جزيئات المادة وتؤثر عليها، مما يعمل على تغيير طبيعة وقوة الروابط بين الذرات، مما يؤدي إلى اختلاف كثافتها.مادة، هناك علاقة مباشرة بين درجة حرارة الذرات الذرات وحجم المادة.
فيما يلي بعض المواد التي تتأثر كثافتها بالحرارة:
ماء نقي
- تتأثر كثافة الماء النقي بشكل مباشر باختلاف درجات الحرارة.
- تسخين الماء النقي وزيادة درجة حرارته سيقلل من كثافته.
- ويعود السبب في ذلك إلى زيادة الطاقة الحركية لجزيئات الماء النقي عند ارتفاع درجة حرارتها، مما يجعلها تشغل مساحة أكبر، مما يزيد من حجمها ويقلل من كثافتها.
أنظر أيضا: كثافة الأخشاب الباهظة الثمن والزان؟
سائل نقي
- الإيثانول النقي هو شكل من أشكال السائل النقي، وهو مركب قطبي، مثل الماء، يشكل روابط هيدروجينية بين الذرات.
- يشبه هيكل مركب الإيثانول النقي الشبكة الثلاثية للمياه.
- ولكن على عكس الماء، الذي يزيد كثافته مع انخفاض درجة الحرارة، ينخفض مركب الإيثانول في كثافته عندما تنخفض درجة الحرارة.
- تتصرف معظم السوائل النقية بشكل مشابه للإيثانول النقي عند تعرضها لدرجات حرارة منخفضة.
الصيغة الرياضية للكثافة
- يتم النظر في كثافة اللغة اللاتينية القديمة المستخدمة في الرموز الكيميائية الحالية من خلال الرمز (ρ) وتسمى (rho).
- بينما يتم النظر في الكتلة في اللغة اللاتينية القديمة برمز (M) وهو الحرف الأول من كلمة (Misa) أو (Misa) مما يعني الكتلة.
- كما يُنظر في حجم اللغة اللاتينية القديمة بالرمز (V)، وهو الحرف الأول من كلمة (المجلد) أو (المجلد)، مما يعني الحجم.
- لذلك، فإن الصيغة الرياضية للمعادلة الكيميائية التي يقاس قانونها بالكثافة هي: ρ = M / V، وتوضح أن الكثافة هي ناتج الكتلة مقسومًا على الحجم، ووحدة قياس المنتج بالكيلوجرام لكل متر مكعب . .
كثافة عدة مواد مختلفة
المواد المختلفة لها كثافة مختلفة.
كثافة الجليد
- كثافة الثلج عند درجة حرارة التجمد (صفر درجة مئوية) هي 917. جرام لكل مليلتر.
الكثافة الجزيئية للماء
- كثافة جزيء الماء عند أربع درجات مئوية هي جرام واحد لكل مليلتر.
الكثافة الأولية للذهب
- كثافة الذهب 19.13 جرام لكل مليلتر.
كثافة الدهون في الجسم
- كثافة دهون الجسم 94. جرام لكل مليلتر.
كثافة الهواء الجاف
- كثافة الهواء الجاف عند درجة حرارة 25 درجة مئوية هي 001185. جرام لكل مليلتر.
كثافة غاز الهليوم
- تبلغ كثافة غاز الهيليوم عند درجة حرارة 25 درجة مئوية 164000 جرام لكل مليلتر.
كثافة مادة الفلين
- تتراوح كثافة مادة الفلين بين 22. -26. غرام لكل مليلتر.
كثافة سكر المائدة
- كثافة سكر المائدة 1.59 جرام لكل مليلتر.
كثافة التربة
- تبلغ مساحة التربة حوالي 5.54 جم لكل مليلتر.
انظر أيضًا: الفرق بين الكتلة والوزن والحجم والكثافة
تعتبر وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي من الوحدات الأساسية والمهمة التي يجب معرفتها لما لها من تطبيقات علمية وحياتية متنوعة، ومعرفة كثافة أي مادة مفيدة في تحديد خصائصها الفيزيائية المتبقية.