چگالی

[amirhossein toranjian]

چگالی
اندازه‌ گیری چگالی یکی از روش‌های اصلی برای شناخت ساختار ماده است. با توجه به مقدار چگالی فرد می‌تواند به خواص جسم پی ببرد. به عنوان مثال چگالی پاسخ این پرسش را مشخص می‌کند که بین دو ماده کدامیک برای ساخت یک کشتی و یا کدام ماده برای ساخت هواپیما مناسب است؟ شما به عنوان سازنده یک دستگاه با توجه به ویژگی‌هایی که برای دستگاهتان در نظر گرفته‌اید، باید بدانید که به کار بردن چه عنصری مناسب‌تر است. برای ساختن کشتی شما نیاز به عنصری دارید که روی آب غوطه‌ور بماند یا برای ساخت زیردریایی عناصری مورد نیازتان است که در آب غوطه‌ور شود. به همین دلیل مطالعه و اندازه‌ گیری چگالی مهم به نظر می‌رسد.
چگالی چیست؟
چگالی میزان فشردگی جرم در یک عنصر یا جسم را نشان می‌دهد. اگر بخواهیم این تعریف را به زبان علمی بیان کنیم باید گفت چگالی نسبت جرم به حجم است:

واحد چگالی در [font=MJXc-TeX-math-I, MJXc-TeX-math-Ix, MJXc-TeX-math-Iw]SISI[/font] کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m3) است.  دو جسم دیده می‌شوند که یکی از آن‌ها روی آب غوطه‌ور است و دیگری به زیر آب فرو رفته است.

شکل ۱: اگر چگالی جسمی از آب کمتر باشد بر روی سطح آب غوطه‌ور می‌شود و در غیر این صورت در آب فرو می‌رود

به صورت کلی باید گفت اگر چگالی جسم از چگالی مایعی که در آن قرار گرفته کمتر باشد، جسم روی مایع غوطه‌ور می‌شود، ولی اگر چگالی جسم بزرگتر باشد جسم در مایع فرو می‌رود.

چگالی جسم < چگالی مایع = غوطه‌ور شدن جسم روی مایع

چگالی جسم > چگالی مایع = غرق شدن جسم در مایع

چگالی نسبی

در فیزیک و شاید همه علوم، مفهوم نسبی به معنی مقایسه یک کمیت در اجسام و یا حالت‌های مختلف است. این موضوع در مفهوم چگالی نیز برقرار است. سوال این است که این چگالی باید نسبت به چه چیز بررسی شود؟ به صورت استاندارد چگالی مایعات و جامدات نسبت به چگالی آب و چگالی گازها نسبت به چگالی هوا بررسی می‌شود. واضح است که چگالی نسبی کمیتی بدون بُعد است. در مورد چگالی نسبی نسبت به آب، نتایج نشان داده است که اگر چگالی نسبی بزرگتر از ۱ باشد، جسم در زیر آب قرار می‌گیرد. ولی در صورتی که چگالی نسبی کوچکتر از ۱ باشد جسم روی آب غوطه‌ور می‌شود.

شکل ۲: چگالی نسبی مایعات و جامدات نسبت به آب و چگالی نسبی گازها نسبت به هوا سنجیده می‌شود. با داشتن نسبت چگالی نسبی یک جسم می‌توان مشخص کرد که جسم در آب غوطه‌ور می‌شود یا فرو می‌رود.

همچنین هرچه چگالی نسبی به ۱ نزدیک شود، مقدار بیشتری از جسم در آب فرو می‌رود. این موضوع در شکل (۳) به خوبی نمایش داده شده است.

شکل ۳: هر چه چگالی نسبی به ۱ نزدیکتر باشد، حجم بیشتری از جسم در آب قرار می‌گیرد.

نکته دیگری که در مورد چگالی نسبی وجود دارد این است که چگالی نسبی نمی‌تواند صفر باشد. اگر چگالی نسبی صفر باشد، یعنی چگالی جسم صفر و در نتیجه، جرم جسم صفر بوده است. این موضوع زمانی که جسم حجمی را اشغال کرده، امکان‌پذیر نیست. مبحث چگالی و محاسبه چگالی، یکی از مباحث فیزیک پایه است.

اندازه‌ گیری چگالی

همان‌طور که گفته شد، مواد در فیزیک کلاسیک به سه دسته جامد، مایع و گاز تقسیم‌بندی می‌شوند. روش اندازه‌ گیری چگالی در هر یک از این دسته‌بندی‌ها متفاوت است که در این بخش به بررسی این روش‌ها می‌پردازیم.

اندازه‌ گیری چگالی جامدات

برای اندازه گیری چگالی جامدات باید آن‌ها را به دو دسته: ۱) چندضلعی‌های منتظم و ۲) چندضلعی‌های نامنتظم تقسیم کرد. اندازه‌گیری حجم در چندضلعی منتظم با چندضلعی نامنتظم متفاوت است که در ادامه این موضوع را بررسی می‌کنیم.

اندازه‌گیری حجم جامدات منتظم

اندازه‌گیری حجم جامدات منتظم ساده است. کافی است توسط متر یا خط‌کش اندازه طول، عرض و ارتفاع جسم را اندازه‌گیری کرده و در یکدیگر ضرب کنیم. بسته به اینکه طول بر حسب متر یا سانتی‌متر باشد، حجم بر حسب متر مکعب (m3) یا سانتی‌متر مکعب (cm3) به دست می‌آید.

اندازه‌گیری حجم جامدات نامنظم

اندازه‌گیری حجم جامدات نامنتظم متفاوت از اندازه‌گیری با خط‌کش یا متر است. دلیل این موضوع نداشتن شکل هندسی منظم این اجسام است. برای این اندازه‌گیری بشری را تا نیمه از آب پر می‌کنیم و ارتفاع آب را یادداشت می‌کنیم، سپس جسمی که می‌خواهیم حجم آن را اندازه‌گیری کنیم داخل آب می‌اندازیم و ارتفاع ثانویه آب را نیز یادداشت می‌کنیم. حجم جسم برابر با اختلاف ارتفاع ثانویه و اولیه آب است که بر حسب لیتر (L) یا میلی‌لیتر (mL) بیان می‌شود.

شکل ۵: با اندازه‌ گیری اختلاف سطح مایع قبل و بعد از قرار گرفتن جسم در آن، حجم جسم مشخص می‌شود.

بیان این نکته ضروری است که  1mL=1 cm3 است.

اندازه گیری جرم جامدات

این موضوع برای جامدات منتظم و غیرمنتظم یکسان است و کافی است جسم را روی ترازو قرار داده و عدد آن را یادداشت کنیم. بدین ترتیب چگالی جامدات با استفاده از رابطه ρ=M/Vبرحسب (gr/l) یا (gr/cm3) به دست می‌آید.

اندازه‌ گیری چگالی مایعات

برای اندازه‌ گیری چگالی مایعات باید دو حالت را در نظر گرفت: ۱) مایع خالص باشد، ۲) مایع ترکیبی از دو یا چند مایع باشد. ‌‌روش اندازه‌گیری کلی در هر دو حالت یکسان است، با این‌ حال در جزئیات اندازه‌گیری تفاوت‌هایی وجود دارد که به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.