چگالی جامد: چگالی موادی که در حالت جامد قرار دارند

چگالی جامد¹: اسرار وزن ناپیدای مواد

چگالی چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟

بیایید با یک آزمایش ذهنی شروع کنیم. دو مکعب هم‌اندازه را تصور کنید؛ یکی از طلا و دیگری از چوب. اگر هر دو را در دست بگیرید، به وضوح احساس می‌کنید مکعب طلا بسیار سنگین‌تر است. این تفاوت وزن، به دلیل تفاوت در چگالی این دو ماده است. چگالی در واقع میزان فشردگی و تراکم ماده در یک فضای مشخص را نشان می‌دهد. به زبان ساده، می‌گوید یک ماده چقدر «سنگین‌وزن» است.

چگالی ($\rho$ – رو) از تقسیم جرم ماده بر حجم آن به دست می‌آید. جرم مقدار ماده تشکیل‌دهنده جسم است که با ترازو اندازه‌گیری می‌شود و واحد آن کیلوگرم (kg) یا گرم (g) است. حجم نیز فضایی است که جسم اشغال می‌کند و واحد آن متر مکعب (m³) یا سانتیمتر مکعب (cm³) است.

مثال: یک مکعب آلومینیومی به حجم 10 cm³ داریم. اگر جرم آن 27 g باشد، چگالی آن چقدر است؟

$\rho = \frac{27}{10} = 2.7\ g/cm^{3}$

این عدد به ما می‌گوید که در هر سانتیمتر مکعب از آلومینیوم، 2.7 گرم ماده وجود دارد.

چه عواملی چگالی یک جامد را تعیین می‌کنند؟

چگالی مواد جامد به دو عامل اصلی بستگی دارد: جرم اتم‌های تشکیل‌دهنده و فاصله بین آن اتم‌ها (چیدمان بلوری).

۱. جرم اتمی: اتم‌های سنگین‌تر، مواد چگال‌تری می‌سازند. به همین دلیل است که سرب (با اتم‌های سنگین) چگالی بالایی دارد، در حالی که آلومینیوم (با اتم‌های سبک‌تر) چگالی کمتری دارد.

۲. تراکم اتمی و پیوندها: نحوه چیدمان اتم‌ها در شبکه بلوری⁵ بسیار مهم است. اگر اتم‌ها بسیار فشرده و نزدیک به هم چیده شده باشند، مانند الماس، ماده چگال خواهد بود. اگر فاصله بین اتم‌ها بیشتر باشد یا ساختار متخلخل⁶ داشته باشد، مانند چوب پنبه، چگالی کم خواهد بود.

شناوری و قانون ارشمیدس: حکمرانی چگالی

یکی از جذاب‌ترین جلوه‌های چگالی در پدیده شناوری دیده می‌شود. چرا کشتی‌های عظیم فولادی که چگالی فولاد از آب بیشتر است، روی آب شناور می‌مانند؟ پاسخ در حجم کل جابجا شده و چگالی متوسط نهفته است.

قانون ارشمیدس⁷ می‌گوید: هر جسمی که در یک سیال (مایع یا گاز) غوطه‌ور شود، به اندازه وزن سیال جابجا شده، نیروی رانش به سمت بالا احساس می‌کند.

کشتی اگرچه از فولاد ساخته شده، اما شکل آن به گونه‌ای است که حجم بسیار بزرگی از هوا را در خود جای داده است. بنابراین، چگالی متوسط کل کشتی (شامل فولاد و هوای داخل آن) از چگالی آب کمتر می‌شود. در مقابل، یک قطعه فولاد جامد و فشرده، چگالی بالاتری از آب دارد و غرق می‌شود.

قاعده طلایی:

• اگر چگالی جسم جامد کمتر از چگالی سیال باشد: جسم شناور می‌ماند.
• اگر چگالی جسم جامد بیشتر از چگالی سیال باشد: جسم غرق می‌شود.
• اگر چگالی جسم جامد برابر با چگالی سیال باشد: جسم در عمق سیال معلق می‌ماند.

از انتخاب مواد تا تشخیص جواهر اصل: دنیای کاربردهای چگالی

درک چگالی جامدات فقط یک موضوع تئوری نیست، بلکه در بسیاری از تصمیمات مهندسی و زندگی روزمره نقش کلیدی دارد.

الف) صنعت و ساخت‌وساز: مهندسان بر اساس نیاز، مواد با چگالی مناسب انتخاب می‌کنند. برای ساخت قطعات هواپیما یا خودروهای مسابقه‌ای که نیاز به سبکی و استحکام دارند، از آلیاژهای آلومینیوم یا کامپوزیت‌های با چگالی پایین استفاده می‌شود. برای ساخت وزنه‌های ورزشی یا بالاست کشتی‌ها، از چدن یا سرب با چگالی بالا بهره می‌برند.

ب) زمین‌شناسی و معدن: زمین‌شناسان با اندازه‌گیری چگالی سنگ‌ها و کانی‌های مختلف، می‌توانند به نوع مواد معدنی درون زمین پی ببرند. مثلاً سنگ معدن طلا چگالی بسیار بالاتری نسبت به سنگ‌های اطراف خود دارد.

ج) تشخیص اصالت: یک روش ساده برای تشخیص طلای اصل از بدل، اندازه‌گیری چگالی آن است. طلای خالص 24 عیار چگالی مشخصی نزدیک به 19.3 g/cm³ دارد. اگر جسمی که ادعا می‌شود طلاست، چگالی بسیار کم‌تری داشته باشد، به احتمال زیاد حاوی فلزات ارزان‌تر مانند روی یا آلومینیوم است. جواهرتراشان نیز از همین اصل برای تشخیص الماس اصل از نوع مصنوعی یا شیشه استفاده می‌کنند.

د) بسته‌بندی و حمل‌ونقل: مواد با چگالی پایین مانند فوم پلی استایرن (یونولیت) برای عایق‌بندی و بسته‌بندی کالاهای حساس استفاده می‌شوند، زیرا سبک بوده و ضربه را خوب جذب می‌کنند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

¹چگالی جامد (Solid Density): به چگالی مواد در حالت جامد گفته می‌شود که در آن اتم‌ها یا مولکول‌ها در مکان‌های تقریباً ثابتی نسبت به هم قرار دارند.
²چگالی (Density)
³جرم (Mass)
⁴حجم (Volume)
⁵شبکه بلوری (Crystal Lattice): آرایش منظم و سه‌بعدی اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌ها در یک جامد بلوری.
⁶متخلخل (Porous): دارای حفره‌ها یا سوراخ‌های ریز.
⁷قانون ارشمیدس (Archimedes' Principle)