تعتبر وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي من أهم الوحدات، لأنها مرتبطة بالعديد من التطبيقات العلمية والحياتية، لذلك هناك العديد من التفسيرات العلمية التفصيلية حول الكثافة وطبيعة قياسها والطرق المطلوبة لـ و قيمته في مختلف الجوانب العلمية.
تحديد الكثافة
- للكثافة العديد من التعريفات اعتمادًا على ما تدل عليه من معاني مختلفة.
- من المقبول عمومًا أن الكثافة هي إحدى الخصائص الفيزيائية لأنواع مختلفة من المواد، ولكل مادة كثافة معينة 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 الارتفاع.
- ظاهرة التيارات المائية الموجودة في المحيطات، ظاهرة تيارات الهواء البارد والساخن والعديد من الظواهر الأخرى.
أنظر أيضا: الخصائص الفيزيائية والكيميائية للخشب
العوامل المؤثرة على كثافة المواد
تؤثر بعض العوامل وتساهم في الاختلاف الواضح بين كثافة المواد المختلفة، ومن أهمها ما يلي:
الكتلة الذرية
- تتكون نواة أي ذرة من مجموعة أو عدد من الجسيمات الدقيقة مقسمة إلى ثلاثة أنواع: البروتونات وهي جسيمات موجبة الشحنة، والنيوترونات وهي جسيمات غير مشحونة أو متساوية، والإلكترونات وهي جسيمات سالبة الشحنة.
- رقم الكتلة الذرية هو ما يمثل مجموع هذه الجسيمات بنسب معينة.
- تمتلك الذرات التي تحتوي على عدد أكبر من البروتونات والنيوترونات كتلة أكبر من تلك التي تحتوي على عدد أقل.
- كتلة جسيمات الإلكترون أقل من مجموع كتل البروتونات والنيوترونات، وبالتالي فإن الذرات التي تحتوي على معظم الإلكترونات لها كتلة أقل من باقي الذرات.
قوة الروابط الجزيئية
- تعتبر الروابط بين ذرات الجزيئات التي تتكون منها المادة من أهم العوامل التي تحدد الخصائص المميزة لهذه المادة وأهمها الكثافة.
- يتم تحديد حالة المادة نفسها، صلبة أو سائلة أو غازية، من خلال نوع وهيكل الروابط بين ذرات الجزيء.
- ثم تعمل قوة روابط هذه الجزيئات مع بعضها البعض على الاختلاف في التركيب البلوري للمادة ككل، مما يؤثر على كثافتها.
- كلما زاد عدد الروابط، زاد عدد الذرات داخل مساحة صغيرة، مما يزيد الكثافة.
- كلما قل عدد الروابط، قل عدد الذرات الموجودة في مساحة صغيرة، مما يقلل الكثافة.
كثافة مختلطة
- تحتوي بعض المواد على جزيئات في الحالة السائلة بجانب الجزيئات في الحالة الغازية، وهذا ما يسمى بمصطلح الكثافة المختلطة.
- يؤثر الاختلاف في طبيعة وحالة الجسيمات في مادة ما بشكل مباشر على كثافتها.
وحدة الكثافة في النظام الدولي
- بعد تحديد مفهوم الكثافة، يتضح أنه من المستحيل قياس الكثافة دون معرفة كتلة وحجم المادة التي يجب قياس كثافتها.
- بينما يستخدم قياس الكثافة قانونًا رياضيًا (كثافة الجسم تساوي كتلة ذلك الجسم مقسومة على حجمه). لتحديد كثافة الجسم بدقة، من الضروري تحديد الكتلة والحجم.
- وحدة SI للكثافة هي وحدة SI للكتلة مقسومة على وحدة SI للحجم.
- وحدة الكتلة في النظام الدولي للوحدات هي الكيلوجرام، ووحدة 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.
- هناك بعض الوحدات الأكثر شيوعًا المستخدمة لقياس كثافة المواد التي تكون أصغر من وحدة الكثافة في النظام الدولي للوحدات: جرامات لكل مليمتر وجرام لكل لتر، وهي فعالة لقياس كثافة الأحجام الصغيرة من المواد.
تختلف كثافة المواد باختلاف درجة الحرارة
- المعلومات الأساسية والحقيقة العلمية المقبولة دائمًا هي أن المواد الصلبة لها أعلى كثافة، تليها السوائل ذات الكثافة المنخفضة، وأخيرًا الغازات ذات الكثافة الأقل.
- لم يتم إثبات أن هذه الحقيقة تنطبق على جميع المواد في جميع الحالات وفي ظل ظروف مختلفة.
- اتضح أن هناك مواد سائلة يمكن أن تكون كثافتها أكبر من المواد الصلبة لوجود علاقة قوية بين درجة حرارة هذه المواد وكثافتها.
- ترتبط درجة الحرارة بحركة الذرات داخل جزيئات المادة وتؤثر عليها، مما يؤثر على طبيعة وقوة الروابط بين هذه الذرات، مما يؤدي إلى اختلاف كثافتها. وفي المواد الغازية، توجد علاقة مباشرة بين درجة حرارة المادة. الذرات وحجم المادة.
فيما يلي بعض المواد التي تعتمد كثافتها على درجة الحرارة:
ماء نظيف
- تتأثر كثافة الماء النقي بشكل مباشر باختلاف درجات الحرارة.
- تسخين المياه النقية وزيادة درجة حرارتها يقلل من كثافتها.
- والسبب في ذلك هو أن الطاقة الحركية لجزيئات الماء النقي تزداد مع ارتفاع درجة حرارتها، مما يؤدي إلى احتلالها لمساحة أكبر، وزيادة حجمها وتقليل كثافتها.
إقرأ أيضاً: كثافة الأخشاب الباهظة الثمن والزان؟
سوائل نقية
- الإيثانول النقي هو شكل من أشكال السائل النقي. إنه مركب قطبي، مثل الماء، يشكل روابط هيدروجينية بين الذرات.
- التركيب المركب للإيثانول النقي هو نفسه هيكل الشبكات الثلاثية للمياه.
- ولكن على عكس الماء، الذي تزداد كثافته مع انخفاض درجة الحرارة، يتناقص مركب الإيثانول في الكثافة مع انخفاض درجة الحرارة.
- تتصرف معظم السوائل النقية بنفس طريقة سلوك الإيثانول النقي عند تعرضها لدرجات حرارة منخفضة.
الصيغة الرياضية للكثافة
- تعتبر الكثافة في اللغة اللاتينية القديمة التي تستخدم في الرموز الكيميائية الحديثة بواسطة الرمز (ρ) وتسمى (rho).
- بينما يُشار إلى الكتلة في اللغة اللاتينية القديمة بالرمز (M) وهو الحرف الأول من كلمة (Mass) أو (Mass) التي تعني الكتلة.
- يُشار أيضًا إلى الحجم باللغة اللاتينية القديمة بالرمز (V)، وهو الحرف الأول من كلمة (المجلد) أو (الحجم)، مما يعني الحجم.
- لذلك، فإن الصيغة الرياضية للمعادلة الكيميائية التي يقاس قانونها بالكثافة هي: ρ = M / V، وتشير إلى أن الكثافة هي ناتج الكتلة مقسومًا على الحجم، ووحدة قياس المنتج بالكيلوجرام لكل متر مكعب .
كثافة بعض المواد المختلفة
المواد المختلفة لها كثافة مختلفة.
كثافة الجليد
- تبلغ كثافة الجليد عند درجة حرارة التجمد (صفر درجة مئوية) 917 جرامًا لكل مليلتر.
كثافة جزيء الماء
- كثافة جزيء الماء عند أربع درجات مئوية هي جرام واحد لكل مليلتر.
كثافة عنصر الذهب
- كثافة الذهب 19.13 جرام لكل مليلتر.
كثافة الدهون في الجسم
- كثافة الدهون 94 جرام لكل مليلتر.
كثافة الهواء الجاف
- كثافة الهواء الجاف عند درجة حرارة 25 درجة مئوية هي 001185. جرام لكل مليلتر.
كثافة غاز الهليوم
- كثافة غاز الهيليوم عند 25 درجة مئوية هي 164000 جرام لكل مليلتر.
كثافة المواد القشرية
- تتراوح كثافة مادة الفلين من 22 إلى 26. غرام لكل مليلتر.
كثافة سكر المائدة
- كثافة سكر المائدة 1.59 جرام لكل مليلتر.
كثافة التربة
- تبلغ كثافة التربة 5.54 جرام لكل مليلتر.
انظر أيضًا: الفرق بين الكتلة والوزن والحجم والكثافة
تعتبر وحدة الكثافة في النظام الدولي من الوحدات الأساسية والمهمة التي يجب معرفتها لما لها من تطبيقات علمية وحياتية متنوعة. معرفة كثافة أي مادة مفيدة لاستنباط بقية خصائصها الفيزيائية.