اندازه گیری چگالی

[amirhossein toranjian]

اندازه گیری چگالی
اندازه گیری چگالی Density

چگالی به عنوان جرم در واحد حجم تعریف می شود. چگالی نسبی اندازه ای بدون واحد است و برابر با نسبت چگالی ماده به چگالی آب در دمای استاندارد است. در واقع چگالی نشانگر این است که جرم ماده تا چه حد متراکم شده است. مثلا ، سرب یک ماده چگال است زیرا مقدار زیادی از آن در حجم کوچکتر متراکم شده از طرف دیگر چگالی آزمایش ‌های مربوط به هوا بسیار کم است.

اندازه گیری و کنترل چگالی سیالات می تواند در فرایندهای صنعتی مهم و حیاتی باشد. اندازه گیری چگالی اطلاعات مفیدی در مورد ترکیبات، غلظت شیمیایی یا مواد جامد معلق در مایع می دهد.
چگالی به روش هایی مشابه با روش های اندازه گیری سطح، اندازه گیری می شود. برخی از روش های اندازه گیری چگالی عبارتند از:

فشار هیدرواستاتیک  (Hydrostatic Pressure)
تشعشعی (Radiation)
ارتعاشی (Vibration)
فشار تفاضلی  (Differential Pressure)
دبی سنجی های جرمی نیز قادر به اندازه گیری چگالی هستند. در ادامه روش های اندازه گیری چگالی توضیح داده می شود.
فشار هیدرواستاتیک  (Hydrostatic Pressure)

اساس این نوع اندازه گیری بر پایه ارتفاع ثابت مایع و اندازه گیری فشار تفاضلی استوار است. از آنجایی که امکان تغییر سطح وجود دارد اساس عملکرد بر اختلاف فشار بین دو نقطه مشخص استوار است. به خاطر اینکه ارتفاع بین دو نقطه تغییر نمی کند هر تغییری در فشار به دلیل تغییر در چگالی است. فاصله بین نقاط برابر با اختلاف فشار مایع بین دو ارتفاع است.

تشعشعی (Radiation)

اندازه گیری چگالی با استفاده از تشعشع بر پایه جذب بیشتر پرتوهای گاما با افزایش چگالی نسبی مواد استوار است. عناصر اصلی چنین سیستمی شامل منبع ثابت گاما (عموما رادیم) و یک آشکارساز است. در اینجا آشکار ساز، تغییرات در شدت پرتوهای دریافتی از حجم ثابتی از مایع را به سیگنالی الکتریکی تبدیل می کند. این نوع از اندازه گیری اغلب در لای روبی کردن استفاده می شود. در جایی که چگالی لجن، میزان موثر بودن لای روبی مخزن را مشخص می کند.

ارتعاشی (Vibration)

تضعیف شیء لرزان در سیال با افزایش چگالی سیال، بیشتر می شود. شیء لرزان به وسیله منبع انرژی خارجی می لرزد و می تواند نی یا صفحه غوطه ور باشد.
چگالی می تواند به یکی از دو روش زیر اندازه گیری شود:
1-تغییر در فرکانس طبیعی لرزش هنگامی که شیء لرزنده به صورت ثابت، انرژی دار شود.
2-تغییر در قدرت و اندازه لرزش هنگامی که شیء لرزنده به صورت دوره ای ضربه بخورد.(مانند زنگوله)

 فشار تفاضلی  (Differential Pressure)

تانکهایی با سرریزی ثابت سطح، ساده ترین راه برای اندازه گیری چگالی هستند زیرا فقط به یک فرستنده فشار تفاضلی نیاز است. این روش نیز مانند روش اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک است، با این تفاوت که چگالی اندازه گیری شده مربوط به فاصله بین پایه های خشک و مرطوب (H) می شود. در این حالت مهم نیست سطح سیال به چه میزان تغییر کند و فقط باید سطح مایع بالاتر از نقطه اتصال پایه مرطوب به مخزن باشد. اگرچه کاربردهایی با سطح یا فشار استاتیک متغیر نیاز به تخمین دارد.

تاثیرات دما بر چگالی

افزایش دما سبب انبساط در مایعات و در نتیجه تغییر در چگالی می شود. تمام مایعات با نرخ یکسان انبساط نمی یابند. برای اطمینان از صحت اندازه گیری، باید اندازه گیری چگالی نسبی بر اساس تاثیرات دما تصحیح شود، اگرچه عملا در بسیاری از مواقع این کار انجام نمی شود.
در کاربردهایی که اندازه گیری دقیق چگالی نسبی خیلی مهم و حیاتی است، ممکن است دما برای حجم ثابت کنترل شود. البته می توان تصحیح لازم برای اندک تغییرات دمای اندازه گیری را در کالیبره کردن ابزار دقیق های چگالی انجام داد.

چگالی نشانگر این است که جرم ماده تا چه حد متراکم شده است. مثلا، سرب یک ماده چگال است، زیرا مقدار زیادی از آن در حجم کوچک تر متراکم شده از طرف دیگر چگالی هوا بسیار کم است. چگالی مقدار جرم موجود در واحد حجم ماده است.

گازها چگالی کمی دارند زیر ملکول‌های گاز فاصله زیادی از یکدیگر داشته و بخش عمده‌ای از آنها را فضای خالی اشغال کرده است در مقابل، ملکول‌های مایعات و جامدات بسیار نزدیک به هم هستند، بنابراین چگالی زیادی دارند. چگالی یک ماده به فشار و دما نیز بستگی دارد. چگالی گازها به تغییرات دما و فشار بسیار حساس هستند. 

 طریقه اندازه گیری
برای اندازه‌گیری چگالی یک جسم باید هم جرم جسم (m) و هم حجم (V) آن را اندازه‌گیری کنیم. جرم را می‌توانیم با ترازو اندازه‌گیری کنیم. حجم یک جسم جامد را می‌توانیم با راه های گوناگون اندازه بگیریم. مثلا برای به دست آوردن حجم یک مکعب، اندازه یک ضلع آن را به توان 3 می‌رسانیم و یا برای تعیین حجم یک مکعب مستطیل طول، عرض و ارتفاع آن را در هم ضرب می‌کنیم. حجم یک مایع را می‌توانیم با ظرف شفاف مدرجی که واحدهای حجم را نشان می‌دهد، اندازه بگیریم.

در آزمایشگاه معمولا برای اندازه گیری حجم مایعات از استوانه مدرج استفاده می‌کنند. در مواردی به وسیله اندازه‌گیری جرم نسبی مواد نسبت به هم از طریق چگالی نسبی مواد نسبت به هم می‌توانیم چگالی تک‌تک مواد را اندازه‌گیری نموده و مشخص نماییم. 

 

تغییرات چگالی

چگالی و وزن مخصوص به تعداد مولکول های موجود در واحد حجم وابسته هستند:

 با افزایش دما، فعالیت مولکولی زیاد شده و تعداد مولکول ها در واحد حجم کم می شود، در نتیجه چگالی و وزن مخصوص کاهش می یابند.

با افزایش فشار، مولکول ها در واحد حجم زیاد شده و چگالی و حجم مخصوص آن افزایش می یابد.

در حالت کلی چگالی در گازها<مایعات<جامدات

چگالی نسبی

مقایسه چگالی دو مایع با یکدیگر یا مقایسه چگالی یک جامد با یک مایع خیلی راحت است. اگر چگالی جسمی کمتر از مایع باشد، در آن شناور می‌شود و در غیر این صورت در آن غرق می گردد. مثلا چگالی چوب از آب کمتر است و برای همین است که چوب روی آب شناور می‌ماند.

تنگ چگالی

تنگ چگالی وسیله ای است برای بدست آوردن چگالی نسبی مایعات، در میان درپوش این تنگ سوراخی وجود دارد اگر درپوش را در جای خود قرار دهیم مایع اضافی از سوراخ درپوش خارج می شود به این ترتیب مایع داخل تنگ با جرم خود تنگ برابر است برای تعیین چگالی نسبی یک مایع ابتدا جرم تنگ خالی را تعیین می کنیم بعد جرم پر آب را بدست می آوریم سپس جرم تنگ پر از سپس جرم تنگ پر از مایع مورد نظر را اندازه می گیریم.

بدین ترتیب از اختلاف جرم تنگ پر از مایع و تنگ خالی، جرم مایع و از اختلاف جرم تنگ پر از آب و تنگ خالی، جرم آب هم حجم آب مایع بدست می آید. از تقسیم جرم مایع بر جرم آب هم حجم مایع و هم چگالی نسبی مایع حاصل می شود.

قیف جدا کننده وسیله‌ای است که مایعات را بر اساس شاخص چگالی از هم جدا می‌کند؛ مثلا اگر مخلوط روغن و آب را در مخزن این دستگاه بریزیم، بر حسب چگالی مواد در داخل این ظرف تفکیک می‌شود. اگر شیر زیر ظرف را باز کنیم، مایعی که دارای چگالی بالاست، در زیر قرار گرفته و از دستگاه خارج می‌گردد تا اینکه به مرز جدایی مایعات روغن و آب برسد، در چنین حالتی شیر را می‌بندیم و دستگاه با موفقیت دو مایع مخلوط را از هم جدا می‌کند.

 

چگالی برخی از مواد معمولی تغییرات دما سبب تغییر حجم جسم می‌شود. بنابراین، با تغییر دما چگالی یک ماده تغییر می‌کند. از این رو چگالی اغلب مواد را در 25٠C معین می‌کنند. در جدول زیر چگالی برخی از مواد آورده شده است