ما هي كثافة المادة

ما هو مفهوم كثافة المادة؟

يمكن تعريف الكثافة بأنها كتلة وحدة حجم مادة مادية، تشير كثافة جسيم التعبير إلى عدد الجسيمات لكل وحدة حجم، وليس إلى كثافة جسيم واحد.

معادلة الكثافة هي d = M / V ، حيث d هي الكثافة، M هي الكتلة، وV هي الحجم يتم التعبير عن الكثافة بشكل عام بوحدات الجرام لكل مركز مكعب، على سبيل المثال كثافة الماء 1 جرام لكل مركز مكعب وكثافة الأرض 5.51 جرام لكل مركز 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، حيث تُعد الكثافة وسيلة مناسبة للحصول على كتلة الجسم من حجمها أو العكس، إذ أن الكتلة تساوي الحجم مضروبًا في الكثافة (M = Vd)، بينما الحجم يساوي الكتلة مقسومة على الكثافة (V = M / d)، كما يمكن الحصول على وزن الجسم الذي يكون عادةً أكثر أهمية من الناحية العملية من كتلته، وذلك بضرب الكتلة في تسارع الجاذبية.

الكثافة والجاذبية النوعية:

يمكن التمييز بين مفهوم الكثافة والجاذبية النوعية بأن الكثافة هي وزن أو كتلة وحدة حجم من الخشب، بينما الجاذبية النوعية هي نسبة كثافة الخشب إلى كثافة الماء، وفي النظام المتري للقياس تكون الكثافة والجاذبية النوعية متطابقتين عدديًا، على سبيل المثال متوسط ​​كثافة خشب تنوب دوغلاس هو 0.45 جرام لكل سم مكعب، وثقله النوعي 0.45، لأن 1 سم مكعب من الماء تزن 1 جرام (معبرًا عنه بالوزن لكل وحدة حجم، 1 جرام لكل سم مكعب يساوي حوالي 62.4 رطل لكل قدم مكعب).

العوامل المؤثرة في كثافة المادة:

بما أن الكثافة تعتمد على خاصيتين وهما الكتلة والحجم، فإنها تتأثر بتأثرهما، وكون الكتلة ثابتة فهي لا تحدث تغييرا على المادة، ولكن العامل المتغير هو الحجم، فهو يتأثر بالعوامل الخارجية المؤثرة على المادة، ويمكن الاستنتاج من قانون الكثافة العلاقة العكسية التي تربط الحجم في الكثافة، فكلما زاد الحجم قلت الكثافة والعوامل التي تؤثر على الكثافة هي:

الحرارة: عند تعريض جسم ما للحرارة فإن جزيئاته تمتلك طاقة أعلى وتبتعد عن بعضها البعض، مما يتسبب في زيادة حجمه، مما يعني نقصان كثافة الجسم، إذن فالعلاقة بين الحرارة والحجم طردية، أما العلاقة بين الحرارة والكثافة عكسية.

الضغط: عندما يتعرض الجسم لضغط إضافي فإن جزيئاته تتراص وتقترب من بعضها البعض، مما يتسبب في نقصان حجمه، وبالتالي زيادة كثافته، إذن فالعلاقة بين الضغط والحجم عكسية، وكذلك العلاقة بين الضغط والكثافة عكسية أيضا، لذلك فإن كثافة مادة ما تحدد في جداول ولكن مع تحديد كل من درجة الحرارة، والضغط المؤثر عليها، وبشكل عام فإن المواد الصلبة هي الأعلى كثافة وتليها المواد السائلة، وأخيرا الغازية نظرا لاختلاف المسافات بين جزيئات كل حالة.

السبب في اختلاف كثافة الزجاج والبلورة:

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 تشكل 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 أن أيونات الصوديوم والكالسيوم المعدلة للشبكة تملأ الفراغات الخلالية وهكذا، فإن زجاج الصودا والجير والسيليكا التجاري له كثافة أكبر من كثافة الكريستوباليت المنخفضة تتبع الكثافة سلوك الجمع عن كثب.

العلاقة بين الطفو والكثافة:

هو ظاهرة فيزيائية تحرك الأجسام في الموائع (السوائل والغازات ) إلى الأعلى، ومثال على عملية الطفو: طفو الخشب على الماء وطفو الزيت فوق الماء، وقوة الطفو هي عبارة عن الفرق بين وزن الجسم الحقيقي ووزن الجسم الظاهري في المائع.

علاقة طفو الجسم بكثافته إذا كان وزن جسم ما أقل من وزن الماء بنفس حجم الجسم عند انغماره في الماء كليا، فتكون كثافة الجسم أقل من كثافة الماء، فإنّ الجسم سيطفو إلى أن يصبح وزن الجسم مساويا لوزن الماء المزاح، فإذا كان وزن الجسم أكبر من وزن الماء المزاح في حالة انغماره بشكل كلي، فإنّه سوف يُغمر في الماء، وفي هذه الحالة ستكون كثافة الجسم مساوية لكتلته مع المادة وما تحتويه من هواء ولن يطفو.

حساب كثافة مادة الخشب:

إن تحديد كثافة الخشب أكثر صعوبة من المواد الأخرى؛ لأن الخشب مادة استرطابية يتأثر كل من وزنه وحجمه بشكل كبير بمحتوى الرطوبة، وحتى يتم الحصول على أرقام قابلة للمقارنة فإنه يتطلب تحديد الوزن والحجم بمحتويات رطوبة محددة.

المعايير هي الوزن الجاف للفرن (عمليا صفر محتوى رطوبة) وإما جاف في الفرن أو الحجم الأخضر (يشير اللون الأخضر إلى محتوى الرطوبة فوق نقطة تشبع الألياف، والذي يبلغ متوسطه حوالي 30 بالمائة) إن التعبيرات الأخرى للكثافة، مثل تلك التي تعتمد على الوزن والحجم الجاف للهواء أو على وزن وحجم الخشب الأخضر، لها أهمية عملية معينة كما هو الحال في شحن الأخشاب، ولكنها ليست دقيقة.

يتم تحديد الكتلة الجافة للخشب في حجم معين من خلال الكثافة، والتي يتم الحصول عليها بقسمة الوزن الجاف للفرن على الحجم، إما جاف في الفرن أو أخضر، يصعب تحديد حجم الفرن الجاف، على الأقل عن طريق الغمر في الماء، بسبب رطوبة الخشب.

تُغمر العينات المجففة بالفرن أولاً في البارافين المنصهر الساخن، لبناء طبقة واقية رقيقة قبل غمرها في الماء مع عينات الخشب الصغيرة، يُستخدم الزئبق أحيانًا بدلاً من الماء، يتوفر جهاز خاص (Breuil volumeter) بالنسبة للعينات ذات الشكل المنتظم، يمكن حساب الحجم على أساس أبعادها بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم طرق الإشعاع للقياس المباشر للكثافة.

يمكن تقييم كثافة عينة من الخشب بصريًا من خلال ملاحظة عرض (سمك) حلقات النمو ونسبة الخشب اللاتيني بشكل عام، يعتبر الخشب اللاتيني بسبب جدرانه الخلوية السميكة وتجويفات الخلايا الأصغر، أكثر كثافة من الخشب القديم، ومع زيادة عرض الحلقة تقل نسبته في الأخشاب اللين ويزيد في الأخشاب الصلبة المسامية الحلقية.

لذلك، تشير الحلقات الأوسع إلى كثافة أقل في الأخشاب اللينة وكثافة أعلى في الأخشاب الصلبة ذات المسام الحلقية، في الأخشاب الصلبة المنتشرة المسامية، لا يكون خشب لاتينا مميزًا بوضوح، ولا يعتبر عرض الحلقة مؤشرًا على الكثافة.

تتراوح كثافة الأخشاب المعتدلة من حوالي 0.3 إلى 0.9 جرام لكل سم مكعب، ولكن النطاق في جميع أنحاء العالم يتراوح تقريبًا من 0.2 إلى 1.2 جرام لكل سم مكعب ترجع الاختلافات بين الأنواع أو العينات من نفس النوع إلى اختلاف نسب مادة الخشب وحجم الفراغ ومحتوى المستخلصات تبلغ كثافة مادة الخشب حوالي 1.5 جرام لكل سم مكعب، وعمليًا لا توجد فروق في هذه القيمة بين الأنواع.