چگالی و زمینه های کاربردی آن

چگالی (Density) یکی از خواص مشخصه یک ماده است و رابطه بین جرم ماده و مقدار فضایی که اشغال می کند را نشان می دهد.

جرم اتم ها، اندازه آنها و نحوه چیدمان آنها چگالی ماده را تعیین می کند. چگالی برابر است با جرم ماده تقسیم بر حجم آن ( D = m / v).

لازم به ذکر است که اجسام با حجم یکسان اما جرم متفاوت، چگالی های مختلف دارند. Density یک جسم یکی از مهم ترین خصوصیات فیزیکی آن است.

از این معیار به طور گسترده ای برای شناسایی مواد خالص و توصیف و تخمین ترکیب بسیاری از انواع مخلوط ها استفاده می شود. کاربرد چگالی در مبحث چگالی را تعریف کنید علوم هفتم شرح داده شده است. 

تعریف ساده چگالی:
مدت هاست که بسیاری از ما درک کرده ایم که "روغن سبک تر از آب است"، یا اینکه آهن "سنگین تر" از قند است. در بیان چنین اظهاراتی، ما به طور ضمنی در حال مقایسه حجم مساوی این مواد هستیم مثلا می توانیم بگوییم چگالی روغن از آب کمتر است.

به هر حال، ما می دانیم که یک فنجان شکر بیش از یک میخ فولاد معمولی وزن خواهد داشت. جرم و حجم معیارهای اندازه گیری یک ماده است و به همین ترتیب به عنوان خصوصیات بسیط ماده تعریف می شوند.

با تقسیم این دو معیار می توان به Density یک ماده دست یافت. این موارد در مبحث چگالی چیست علوم ششم شرح داده شده است.

Density ماده با توجه به دما و فشار متغیر است. این تغییر معمولاً برای جامدات و مایعات کم است اما برای گازها بسیار بیشتر است.

افزایش فشار بر روی یک جسم باعث کاهش حجم جسم می شود و بنابراین Density آن افزایش می یابد. افزایش درجه حرارت ماده (با چند مورد استثنا) با افزایش حجم از چگالی آن می کاهد.

در اکثر مواد، گرم شدن کف سیال به دلیل کاهش تراکم سیال گرم شده منجر به انتقال گرما از پایین به بالا می شود. این امر باعث بالا رفتن آن نسبت به مواد غیر گرم شده متراکم تر می شود.

متقابلا چگالی یک ماده را گاهی اوقات حجم خاص آن می نامند، اصطلاحی که گاهی اوقات در ترمودینامیک استفاده می شود. Density ماده یک خاصیت بسیط است به همین دلیل افزایش مقدار ماده باعث افزایش تراکم آن نمی شود بلکه باعث افزایش جرم آن می شود.

فرمول محاسبه چگالی:
چگالی یک ماده جرم آن در واحد حجم است. نمادی که اغلب برای Density استفاده می شود ρ است اگرچه از حرف لاتین D نیز می توان استفاده کرد. از نظر ریاضی، چگالی به صورت جرم تقسیم بر حجم تعریف می شود:

• ρ = m / v

ρ چگالی است، m جرم است و V حجم است. برای یک ماده خالص Density همان مقدار عددی تراکم جرم آن است. مواد مختلف معمولاً دارای چگالی مختلف هستند. اوزیمیم و ایریدیم متراکم ترین عناصر شناخته شده در شرایط استاندارد دما و فشار هستند.

برای ساده سازی مقایسه Density در یکای سیستم های مختلف این معیار گاهی اوقات با کمیت بدون بعد یعنی "چگالی نسبی" یا "وزن مخصوص" جایگزین می شود، یعنی نسبت چگالی ماده به یک ماده استاندارد، که معمولاً آب است. بنابراین تراکم نسبی کمتر نسبت به آب به معنای شناور بودن ماده در آب است.

نحوه اندازه گیری چگالی:
تکنیک ها و همچنین استانداردهای متعددی برای اندازه گیری Density مواد وجود دارد. از جمله این تکنیک ها می توان به استفاده از هیدرومتر (یک روش شناوری برای مایعات)، تعادل هیدرواستاتیک (یک روش شناوری برای مایعات و جامدات)، روش غوطه وری جسم (یک روش شناوری برای مایعات)، پیکنومتر (مایعات و جامدات)، پیکنومتر مقایسه هوا (جامدات)، چگالی سنج نوسانی (مایعات) اشاره کرد.

با این حال، هر روش یا تکنیک مجزا انواع مختلف Density (مانند چگالی تام، کالبدی و غیره) را اندازه گیری می کند، بنابراین لازم است درک درستی از نوع چگالی اندازه گیری شده و همچنین نوع ماده مورد نظر داشته باشید.

مواد همگن:
Density در تمام نقاط یک جسم همگن برابر است بنابراین این معیاربا تقسیم جرم کل آن بر حجم کل آن محاسبه می شود. جرم معمولا به طور مستقیم اندازه گیری می شود. حجم ممکن است مستقیماً (از هندسه جسم) یا با جابه جایی سیال اندازه گیری شود.

برای تعیین Density یک مایع یا یک گاز، می توان به ترتیب از یک هیدرومتر، یک دسی متر یا یک جریان سنج کوریولیس استفاده کرد. به همین ترتیب، توزین هیدرواستاتیک از جابه جایی آب ناشی از یک جسم غرق شده برای تعیین چگالی جسم استفاده می کند.

مواد ناهمگن:
اگر جسم یکدست نباشد، تراکم آن در مناطق مختلف جسم متفاوت است. در این حالت چگالی اطراف هر مکان مشخص با محاسبه چگالی حجم کمی در اطراف آن مکان تعیین می شود. در محدوده یک حجم بینهایت کم، چگالی یک شی ناهمگن در یک نقطه با فرمول {\displaystyle \rho ({\vec {r}})=dm/dV} به دست می آید.

جایی که dV یک حجم اولیه در موقعیت r است. سپس می توان جرم جسم را به صورت زیر بیان کرد:

• m = \int_V \rho(\vec{r})\,dV.

مواد غیر فشرده یا فله:
در عمل، مواد فله ای مانند شکر، شن و ماسه یا برف حاوی فضاهای خالی هستند. بسیاری از مواد در طبیعت به صورت پوسته، گلوله، یا گرانول وجود دارد. مناطقی متخلخلی که حاوی ماده اصلی نیست حاوی چیز دیگری است که معمولاً هوا است اما ممکن است خلاء، مایع، جامد یا گاز یا مخلوط گازی باشد.

حجم یک ماده فله اغلب با یک اندازه گیری ساده (به عنوان مثال با یک ظرف اندازه گیری کالیبره شده) یا از لحاظ هندسی از ابعاد شناخته شده به دست می آید. جرم تقسیم بر حجم انبوه، چگالی حجم را تعیین می کند. البته این همان چگالی جرم حجمی نیست.

برای تعیین چگالی جرم حجمی، ابتدا باید حجم کسر باطل را تعیین کرد. گاهی اوقات این را می توان با استدلال هندسی تعیین کرد. برای اشکالی نزدیک کره های برابر، کسر غیر باطل حداکثر می تواند حدود 74٪ باشد. همچنین می توان آن را به صورت تجربی تعیین کرد.

در عمل، کسر باطل لزوماً هوا و یا حتی گاز نیست. در مورد شن و ماسه ممکن است آب باشد که می تواند برای اندازه گیری سودمند باشد زیرا کسر خالی شن و ماسه اشباع شده در آب - هنگامی که حباب های هوا کاملاً خارج شود - به طور بالقوه سازگارتر از شن خشک است که با خلا هوا اندازه گیری می شود.

تغییرات چگالی:
به طور کلی Density را می توان با تغییر فشار یا دما تغییر داد. افزایش فشار همیشه چگالی ماده را افزایش می دهد. افزایش دما به طور کلی چگالی را کاهش می دهد، اما استثناهای قابل توجهی در این تعمیم وجود دارد.

به عنوان مثال، چگالی آب بین نقطه ذوب آن در 0 درجه سانتی گراد و 4 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. در دمای پایین رفتار مشابهی در سیلیکون مشاهده می شود. برای محاسبه چگالی آب باید به این موارد توجه کنید.

تأثیر فشار و دما بر تراکم مایعات و جامدات کم است. قابلیت انعطاف پذیری برای یک مایع یا جامد معمولی bar − 110-6 (1 bar = 0.1 MPa) و انبساط حرارتی معمولی K-110 -5 است. این تقریباً به معنای نیاز به حدود ده هزار برابر فشار جوی برای کاهش یک درصدی حجم ماده است.

(اگرچه ممکن است فشارهای مورد نیاز برای خاک شنی و بعضی از رس ها حدود هزار برابر کمتر باشد.). انبساط یک درصدی حجم معمولاً نیاز به افزایش دما به میزان هزاران درجه سانتی گراد دارد.