وحدة قياس الكثافة
الكثافة (بالإنجليزية: Density) هي خاصية فيزيائية للمواد، بحيث يوجد لكل عنصر أو مركب كثافة خاصة به تختلف عن كثافة باقي العناصر الأخرى، كما تُشير الكثافة على الثقل النسبي للمواد ذات الأحجام الثابتة، كما تُعبر الكثافة عن علاقة كتلة الجسم أو المادة بالنسبة لحجمها، بحيث تزداد كثافة المادة كلما زادت كتلتها، ويُمكن تمثيل العلاقة بالصيغة الرياضية التالية:
الكثافة = الكتلة / الحجم
ويُمكن تمثيله بالرموز كالتالي:
ρ = m/v
ث = ك / ح
حيث أنّ:
- ث (ρ): كثافة المادة.
- ك (m): كتلة المادة.
- ح (v): حجم المادة.
ويُمكن إعادة ترتيب القانون لحساب كتلة المادة أو حجمها، بحيث تساوي كتلة المادة الحجم مضروبًا في الكثافة، بينما يُحسب حجم المادة بقسمة الكتلة على الكثافة، ويُجدر بالذكر أنّ الكثافة تُقاس بشكل عام بوحدة غرام لكل سنتيمتر مكعب (غ/ سم³)، إلّا أنّ وحدات الكثافة تعتمد بشكل رئيسي على وحدات الكتلة والحجم المُستخدمة للمادة، كما هو موضح فيما يلي:
- تُستخدم وحدة غرام لكل سنتيمتر مكعب (g / cm³) للمواد الصلبة.
- تُستخدم وحدة غرام لكل ملليلتر (g / ml) للمواد السائلة.
- تُستخدم وحدة غرام لكل لتر (g / L) للمواد الغازية.
- يجدر بالذكر أنّ الوحدة معتمدة في النظام الدولي (SI) هي كيلوغرام لكل متر مكعب (kg / m³).
العوامل المؤثرة في الكثافة
من العوامل المؤثرة في الكثافة:
درجة الحرارة
تُعد درجة الحرارة عامل مؤثر على الكثافة، إذ تتناسب الكثافة تناسبًا عكسيًا مع درجة الحرارة فكلما انخفضت درجة الحرارة المادة زادت كثافتها، فعند زيادة درجة حرارة المادة، تزيد الطاقة الحركية للذرات أو الجزيئات داخلها، فتشغل هذه الجزيئات مساحة أكبر، فتتوسع المادة ويزداد حجمها، ممّا يؤدي إلى انخفاض كثافتها لأنّ العلاقة بين الحجم والكثافة علاقة عكسية.
الضغط
يؤثر الضغط أيضًا على الكثافة بشكل كبير، إذ تتناسب الكثافة طرديًا مع الضغط، فكلما زاد الضغط على المادة زادت كثافتها، على سبيل المثال تبلغ كثافة الهواء 1.225 كغ / م³ وعند حصره في بالون مثلًا فإنّ الضغط يزيد عليه، ممّا يؤدي إلى تقليل حجمه وبالتالي زيادة كثافته.
تركيز الذرات في المادة
تتناسب الكثافة تناسبًا عكسيًا مع تركيز الذرات في المادة، فالمادة التي تكون لها ذرات مترابطة ومضغوطة معًا تكون كثافتها قليلة، كما أنّ المواد المتكونة من ذرات بوزن ذري قليل تكون كثافتها أكبر من المواد ذات الوزن الذري الأعلى.
تدريبات على حساب الكثافة واستخدام وحداتها
فيما يلي تدريبات على حساب الكثافة واستخدام وحداتها:
- إذا علمتَ أنّ كتلة الماء تساوي 1160 كيلوغرام، وحجمه 1 م³، أوجد كثافته. الحل:
- نكتب المعطيات:
- كتلة الماء: ك = 11,60 كغ.
- حجم الماء: ح = 1 م³
- نعوض المعطيات بقانون الكثافة:
- الكثافة = الكتلة / الحجم
- ث = ك / ح
- ث = 1/1160
- الكثافة = 1160 كغ/م³
- إذا علمتَ أنّ حجم قطعة من الملح يساوي 200 سم³، وكتلتها 433 غرام، احسب كثافتها يوحدة كيلوغرام/م³. الحل:
- نكتب المعطيات:
- كتلة قطعة الملح: ك = 433 غ، نحولها إلى وحدة الكيلوجرام:
- نعلم أنّ 1 كيلوغرام = 1000 غرام، إذًا:
- 433 غ = 433/1000 = 0.433 كيلوغرام.
- كتلة قطعة الملح: ك = 0.433 كيلوغرام.
- حجم قطعة الملح: ح = 200 سم³ نحول وحدتها إلى متر مكعب:
- نعلم أنّ 1 سنتيمتر مكعب = 1.0×10^(-6) متر مكعب، إذًا:
- 200 سم³ = 200 × 1.0×10^(-6) = 0.0002 م³.
- حجم قطعة الملح: ح = 2 ×10^(-3) م³
- نعوض المعطيات بقانون الكثافة:
- الكثافة = الكتلة / الحجم
- ث = ك / ح
- ث = 0.0002/0.433
- الكثافة = 2165 كغ/م³
- إذا علمتَ أنّ كتلة الماء تساوي 250 غ، وحجمه 250 مل، أوجد كثافته بوحدة كيلوغرام/مل. الحل:
- نكتب المعطيات:
- كتلة الماء: ك = 250 غ.
- حجم الماء: ح = 250 مل.
- نعوض المعطيات بقانون الكثافة:
- الكثافة = الكتلة / الحجم
- ث = ك / ح
- ث = 250/ 250
- الكثافة = 1 غ/مل
- نحول الوحدة من غ/مل إلى كيلوغرام/مل:
- نعلم أنّ 1 كيلوغرام = 1000 غرام، إذًا:
- 1 غرام = 1/1000 = 1×10^(10-3) كيلوغرام
- وبالتالي الكثافة = (3-)^10×1 كيلوغرام/مل
الخلاصة
الكثافة هي خاصية فيزيائية للمادة تُعبر عن علاقة وحدة الكتلة مع وحدة الحجم، إذ تتناسب الكثافة تناسبًا طرديًا مع الكتلة، وعكسيًا مع الحجم، ويُمكن حساب كثافة المادة من قسمة كتلتها على حجمها، وتعتمد وحدة قياسها على وحدة قياس الكتلة والحجم، إذ يُمكن قياسها بوحدة جرام/سم³ وهي أشهر الوحدات المُستخدمة لها، كما يُمكن التعبير عنها بوحدة جرام لكل ملليلتر وجرام لكل لتر، أو بالوحدة المعتمدة في النظام الدولي وهي كيلوجرام لكل متر مكعب، وتعتمد الكثافة بشكل كبير على درجة الحرارة، والضغط، وتركيز الذرات داخل المادة.
