ما هي الكثافة في الفيزياء؟

ما هو مفهوم الكثافة في الفيزياء؟

تعرف الكثافة، بأنها نسبة كتلة المادة إلى حجمها، معبرًا عنها على سبيل المثال، بوحدات الجرام لكل سنتيمتر مكعب أو رطل لكل قدم مكعب، حيث تختلف كثافة المادة النقية قليلاً من عينة إلى أخرى، وغالبًا ما تُعتبر خاصية مميزة للمادة.

تخضع معظم المواد للتمدد عند تسخينها، وبالتالي يكون لها كثافة أقل في درجات حرارة أعلى، إذ يمكن ضغط العديد من المواد، وخاصة الغازات، إلى حجم أصغر عن طريق زيادة الضغط الذي يعمل عليها، لهذه الأسباب عادةً ما يتم تحديد درجة الحرارة والضغط اللذين يتم قياس كثافة المادة بهما، وغالبًا ما يتم تحويل كثافة الغاز رياضيًا إلى ما سيكون عليه عند درجة حرارة وضغط قياسيين (STP)، ويعتبر الماء غير معتاد في أنه يتمدد، وبالتالي تتناقص كثافته، حيث يتم تبريده إلى أقل من 3.98 درجة مئوية (درجة الحرارة القصوى للكثافة).

طريقة تقديرالكثافة:

هناك نوعان من الخصائص التي نريد التعامل معها؛ أحدهما هو الخصائص التي تزيد أو تنقص عندما يصبح الحجم الجزيئي أكبر، حيث تعتبر نقطة الغليان ودرجة الحرارة الحرجة وحرارة التبخر وحرارة التكوين من هذه الخصائص.

هذا النوع من الخصائص مناسب لمخطط التنبؤ بالمباني باستخدام طريقة مساهمة المجموعة، أما النوع الآخر من الخصائص فيكون مستقل عن الحجم الجزيئي مثل الكثافة ومعامل الذوبان ومعامل الانكسار، إذ لا يمكن لهذه الخصائص استخدام طريقة مساهمة المجموعة للتنبؤ.

لكن في الواقع، هناك العديد من مخططات تقدير الخصائص لهذا النوع الثاني من الخصائص، وفي هذه الحالة، نحتاج إلى معرفة سكان هذا المخطط على أساس، ولكن في كل الأحوال تقريبا، لم يتم فتحه وإذا طبقنا طريقة مساهمة المجموعة، فنحن بحاجة إلى اختيار الخصائص التي سيزيد أو ينقص لزيادة أو نقصان المجموعات الوظيفية، وعلى سبيل المثال حالة الكثافة، حيث يتم تعريف الكثافة على أنها الوزن الجزيئي مقسومًا على الحجم الجزيئي.

لذلك إذا تمكنا من تقدير الحجم الجزيئي باستخدام طريقة مساهمة المجموعة، فيمكننا الحصول على الكثافة بسهولة بالغة، كما يتم استخدام جهاز محاكاة (YNU 167) مجموعة وظيفية وقد حدد بالفعل عامل الحجم الجزيئي لكل مجموعة وظيفية.

في هذه الحسابات النظرية، يوضع الجزيء في فراغ عند 0 كلفن، وفي الحالة الحقيقية، الجزيء الذي يحزم بعضه البعض ويحسب الحجم النظري والحجم من الكثافة ليس متطابقًا تمامًا، ولقد أظهرت بالفعل فائدة الحجم كمعامل تحديد للتنبؤ بدرجة الحرارة الحرجة والضغط الحرج، إذ تنخفض الكثافة مع زيادة درجة الحرارة مثال الأسيتون.

معادلة الكثافة ووحدة قياسها:

الكثافة هي كتلة وحدة حجم مادة مادية، ومعادلة الكثافة هي (d = M / V)، حيث d هي الكثافة، M هي الكتلة، وV هي الحجم، ويتم التعبير عن الكثافة بشكل عام بوحدات الجرام لكل سنتيمتر مكعب.
على سبيل المثال، تبلغ كثافة الماء 1 جرام لكل سنتيمتر مكعب، وكثافة الأرض 5.51 جرام لكل سنتيمتر مكعب، يمكن أيضًا التعبير عن الكثافة بالكيلوجرام لكل متر مكعب (بوحدات MKS أو SI). على سبيل المثال، كثافة الهواء 1.2 كيلوجرام لكل متر مكعب.

إلى جانب ذلك فقد يتم سرد كثافات المواد الصلبة والسوائل والغازات الشائعة في الكتب والمناهج المدرسية، حيث توفر الكثافة أسلوباً مناسبة يساعد في الحصول على كتلة الجسم من حجمها أو العكس؛ حيث أن الكتلة تساوي الحجم مضروبًا في الكثافة (M = Vd)، بينما الحجم يساوي الكتلة مقسومة على الكثافة (V = M / d).

يمكن الحصول على وزن الجسم، الذي يكون عادةً أكثر أهمية من الناحية العملية من كتلته، بضرب الكتلة في تسارع الجاذبية، كما تتوفر أيضًا الجداول التي تسرد الوزن لكل وحدة حجم من المواد؛ هذه الكمية لها عناوين مختلفة، مثل: كثافة الوزن أو الوزن المحدد أو وزن الوحدة، وتشير كثافة جسيم التعبير إلى عدد الجسيمات لكل وحدة حجم، وليس إلى كثافة جسيم واحد، وعادة ما يتم التعبير عنها بالرمز n.

التحليل الحجمي:

وهي طريقة للتحليل الكيميائي الكمي الذي يتم فيها تحديد كمية مادة ما عن طريق قياس الحجم الذي تشغله في الاستخدام الأوسع، كما أن حجم مادة ثانية تتحد مع الأول في النسب المعروفة، ويسمى بشكل صحيح بالمعايرة التحليل.

في الترتيب الذري العشوائي لمادة صلبة زجاجية، تكون الذرات معبأة بشكل أقل كثافة من البلورة المقابلة، مما يترك فراغات بينية أكبر، أو ثقوبًا بين الذرات، وتشكل هذه الفراغات الخلالية مجتمعة ما يُعرف بالحجم الحر، وهي مسؤولة عن الكثافة المنخفضة للزجاج على عكس البلورة.

على سبيل المثال، كثافة زجاج السيليكا أقل بحوالي 2 بالمائة من نظيره البلوري الأقرب، معدن السيليكا منخفض كريستوباليت ومع ذلك، فإن إضافة القلويات والجير من شأنه أن يتسبب في زيادة كثافة الزجاج بشكل مطرد، حيث إن أيونات الصوديوم والكالسيوم المعدلة للشبكة تملأ الفراغات الخلالية، وهكذا فإن زجاج الصودا والجير والسيليكا التجاري له كثافة أكبر من كثافة الكريستوباليت المنخفضة، إذ تتبع الكثافة سلوك الجمع عن كثب.

تتمثل الطريقة الأولى في إجراء ابتكره الكيميائي الفرنسي جان بابتيست أندريه دوماس، لتحديد نسبة النيتروجين مع العناصر الأخرى في المركبات العضوية، حيث يتم حرق عينة وزنها من المركب في فرن تحت ظروف تضمن تحويل كل النيتروجين إلى غاز النيتروجين الأولي، N2.

يُحمل النيتروجين من الفرن في تيار من ثاني أكسيد الكربون يتم تمريره إلى محلول قلوي قوي، والذي يمتص ثاني أكسيد الكربون ويسمح للنيتروجين بالتراكم في أنبوب متدرج، ويمكن حساب كتلة النيتروجين من الحجم الذي يشغله في ظل ظروف معروفة من درجة الحرارة والضغط، وبالتالي يمكن تحديد نسبة النيتروجين في العينة.

كثافة مياه البحر وضغطها:

تُعطى كثافة المادة بوحدات الكتلة لكل وحدة حجم، ويُعبر عنها بالكيلوجرام لكل متر مكعب في نظام الوحدات الدولي للوحدات، وفي علم المحيطات، يتم التعبير عن كثافة مياه البحر تاريخيًا بالجرام لكل سنتيمتر مكعب، وتعتمد كثافة مياه البحر على درجة الحرارة والملوحة والضغط.
نظرًا لأن علماء المحيطات يتطلبون قياسات الكثافة لتكون دقيقة حتى المكان العشري الخامس، فإن معالجة البيانات تتطلب كتابة العديد من الأرقام لتسجيل كل قياس، أيضًا يمكن إهمال تأثير الضغط في كثير من الحالات باستخدام درجة الحرارة المحتملة.

قاد هذان العاملان علماء المحيطات إلى اعتماد وحدة كثافة تسمى سيجما تي (σt)، حيث يتم الحصول على هذه القيمة بطرح 1.0 من الكثافة وضرب الباقي في 1000، و لا تحتوي t على وحدات وهي كثافة مختصرة لمياه البحر تتحكم فيها الملوحة ودرجة الحرارة فقط، كما تزداد كمية مياه البحر بزيادة الملوحة وانخفاض درجة الحرارة.

يتم توضيح العلاقة بين الضغط والكثافة من خلال ملاحظة تأثير الضغط على كثافة مياه البحر عند 35 درجة مئوية و 0 درجة مئوية، ونظرًا لأن عمودًا من مياه البحر يبلغ طوله مترًا واحدًا (ثلاثة أقدام) ينتج ضغطًا يبلغ حوالي ديسيبار واحد (0.1 ضغط جوي)، فإن الضغط بالديسيبار يساوي تقريبًا العمق بالمتر، (الديسيبر الواحد هو عُشر البار، والذي بدوره يساوي 10⁵ نيوتن لكل متر مربع).