چگالی مایع: کلید فهمیدن چرایی شناوری و غرقشدن
چگالی چیست؟ از تعریف تا فرمول
فرض کنید دو کیسه به یک اندازه دارید؛ یکی پر از پنبه و دیگری پر از میخ. کدام سنگینتر است؟ هر دو ممکن است فضای یکسانی را پر کنند، اما میخها جرم خیلی بیشتری دارند. این دقیقاً مفهوم چگالی است. چگالی به ما میگوید جرم یک ماده چقدر متراکم در یک حجم معین فشرده شده است.
برای مواد مایع نیز همین قانون صادق است. چگالی یک مایع، جرم آن در واحد حجم است. هرچه مولکولهای مایع در فضای کوچکتری فشردهتر باشند، چگالی آن بیشتر است.
که در آن:
ρ (رو) نماد چگالی، m جرم ماده بر حسب کیلوگرم (kg) یا گرم (g)، و V حجم آن بر حسب متر مکعب (m3) یا سانتیمتر مکعب (cm3) است.
واحد رایج چگالی برای مایعات گرم بر سانتیمتر مکعب (g/cm3) یا کیلوگرم بر لیتر (kg/L) است.
مقایسهای از چگالی مایعات مختلف
مایعات مختلف چگالیهای بسیار متفاوتی دارند. این جدول به شما کمک میکند تا چند مایع رایج را مقایسه کنید:
| نام مایع | چگالی در دمای اتاق (g/cm3) | مشاهده و توضیح |
|---|---|---|
| روغن مایع (مانند روغن آفتابگردان) | حدود 0.92 | از آب سبکتر است، پس روی آب شناور میماند. |
| آب خالص | دقیقاً 1.00 | معیار مقایسه چگالی بسیاری از مواد را نسبت به آن میسنجند. |
| شیر کامل | حدود 1.03 | به دلیل وجود چربی و مواد جامد، اندکی از آب سنگینتر است. |
| عسل | حدود 1.42 | مایعی بسیار غلیظ و سنگین. اگر درون آب بریزید، به سرعت تهنشین میشود. |
| جیوه2 | حدود 13.6 | سمی - فقط برای مطالعه سنگینترین مایع معمول. یک تکه آهن روی آن شناور میماند! |
عوامل مؤثر بر چگالی مایع: دما و ناخالصی
چگالی یک مایع ثابت مطلق نیست و تحت تأثیر عواملی تغییر میکند. دو عامل اصلی عبارتند از:
۱. دما: با افزایش دما، معمولاً چگالی مایعات کاهش مییابد. دلیلش این است که مولکولها انرژی بیشتری میگیرند و سریعتر حرکت میکنند. این باعث میشود فاصله بین آنها کمی بیشتر شود (منبسط شوند) و در نتیجه در یک حجم ثابت، جرم کمتری جای میگیرد. برعکس، با کاهش دما، چگالی افزایش مییابد (تا نقطه انجماد). مثال ساده: آب گرم از آب سرد سبکتر است و به همین دلیل در یک سماور، آب گرم روی آب سردتر قرار میگیرد.
۲. حل شدن مواد دیگر (ناخالصیها): اگر مادهای مانند نمک یا شکر را در آب حل کنید، چگالی آن افزایش مییابد. چون در همان حجم آب، جرم بیشتری (نمک + آب) وجود دارد. آب دریا به دلیل نمکهای حلشده، چگالی بیشتری از آب شیرین دارد و شناوری در آن راحتتر است. حتی میتوان با تغییر میزان شکر در آب، محلولهایی با چگالیهای مختلف ساخت و یک برج چگالی رنگارنگ درست کرد!
کاربردهای شگفتانگیز چگالی مایعات در زندگی و صنعت
مفهوم چگالی فقط یک موضوع درسی نیست، بلکه پایه بسیاری از پدیدهها و اختراعات است:
• اصل ارشمیدس و شناوری: شیء در مایع غوطهور میشود اگر چگالی آن از مایع کمتر باشد و غرق میشود اگر چگالی آن بیشتر باشد. کشتیهای عظیم فولادی با وجود چگالی زیاد فولاد، به دلیل هوای داخل بدنه، میانگین چگالی کل کشتی را از آب کمتر کرده و شناور میمانند. زیردریاییها نیز با کنترل مقدار آب در مخازن خود، چگالی کل را تغییر داده و غوطهوری یا شناوری را کنترل میکنند.
• جدا کردن مواد: در بازیافت، از دستگاههایی به نام «جداساز بر اساس چگالی» استفاده میشود. پلاستیکهای مختلف چگالی متفاوتی دارند. با قرار دادن آنها در مایعی با چگالی مشخص، برخی شناور و برخی غرق میشوند و به راحتی جدا میشوند.
• هیدرومتر (چگالیسنج مایعات): وسیلهای شیشهای است که در مایع قرار میگیرد. هرچه مایع چگالتر باشد، هیدرومتر بیشتر بالا میآید. از این وسیله برای سنجش میزان شارژ باتری ماشین (چگالی اسید باتری) یا تشخیص خلوص شیر استفاده میشود.
• نقش در زمینشناسی و اقیانوسها: جریانهای اقیانوسی عمیق اغلب به دلیل تفاوت چگالی آب (ناشی از دما و شوری) به وجود میآیند. آب سرد و شور چگالی بالایی دارد و به اعماق میرود و جریانی عظیم را ایجاد میکند که بر آب و هوای کل زمین اثر میگذارد.
پرسشهای متداول و تصورات غلط
پاورقی
1چگالی (Density): جرم ماده در واحد حجم. واحد رایج آن گرم بر سانتیمتر مکعب (g/cm³) یا کیلوگرم بر لیتر (kg/L) است.
2جیوه (Mercury): یک عنصر شیمیایی با نماد Hg. در دمای اتاق مایع است و چگالی بسیار بالایی دارد. هشدار: بخارات و خود این ماده سمی هستند و باید از تماس با آن خودداری کرد.
