چگالی چیست؟
تعریف چگالی و فرمول اصلی آن
چگالی معیاری است که نشان می‌دهد مولکول‌های یک ماده چقدر فشرده و نزدیک به هم قرار گرفته‌اند. به زبان ساده‌تر، اگر دو تکه از دو ماده مختلف هم‌اندازه باشند، ماده‌ای که سنگین‌تر است، چگالی بیشتری دارد. برای مثال، یک تکه آهن هم‌اندازه یک تکه چوب پنبه، بسیار سنگین‌تر است؛ بنابراین چگالی آهن از چوب پنبه بیشتر است.
$ \rho = \frac{m}{V} $
که در آن:
ρ = چگالی (کیلوگرم بر متر مکعب یا گرم بر سانتی‌متر مکعب)
m = جرم (کیلوگرم یا گرم)
V = حجم (متر مکعب یا سانتی‌متر مکعب)
واحدهای اندازه‌گیری چگالی
چگالی را می‌توان با واحدهای مختلفی بیان کرد. رایج‌ترین واحدها در سیستم متریک هستند. انتخاب واحد به اندازه و جرم جسم بستگی دارد. جدول زیر واحدهای متداول را نشان می‌دهد.
| واحد | نماد | موارد استفاده | مثال |
|---|---|---|---|
| کیلوگرم بر متر مکعب | kg/m³ | اجسام بزرگ، محاسبات علمی | چگالی آب: 1000 kg/m³ |
| گرم بر سانتی‌متر مکعب | g/cm³ | اجسام کوچک و جامدات | چگالی آهن: 7.87 g/cm³ |
| گرم بر میلی‌لیتر | g/mL | مایعات و گازها | چگالی اتانول: 0.789 g/mL |
توجه: 1 g/cm³ = 1000 kg/m³ و از آنجایی که حجم یک سانتی‌متر مکعب دقیقاً برابر با یک میلی‌لیتر است، می‌توان گفت 1 g/cm³ = 1 g/mL.
چگالی مواد مختلف: از هوا تا طلا
چگالی مواد مختلف در جهان اطراف ما بسیار متفاوت است. این تفاوت به نوع اتم‌های تشکیل‌دهنده ماده و نحوه چیدمان آنها بستگی دارد. به نمودار زیر که چگالی برخی مواد رایج را نشان می‌دهد، دقت کنید.
| ماده | حالت فیزیکی | چگالی (g/cm³) | مقایسه |
|---|---|---|---|
| هوا (در سطح دریا) | گاز | 0.0012 | کمترین |
| یونوفوم (یونولیت) | جامد | 0.05 | خیلی کم |
| آب (مایع خالص) | مایع | 1.00 | معیار مقایسه |
| آلومینیوم | جامد | 2.7 | سبک فلزی |
| آهن | جامد | 7.87 | فلز رایج |
| سرب | جامد | 11.34 | سنگین |
| طلا | جامد | 19.32 | بسیار سنگین |
چگالی و اصل شناوری: چرا کشتی غرق نمی‌شود؟
یکی از جذاب‌ترین کاربردهای چگالی، توضیح پدیده شناوری است. قاعده اصلی را ارشمیدس کشف کرد: «هر جسمی که در یک سیال (مایع یا گاز) غوطه‌ور شود، به اندازه وزن سیال جابجا شده، نیروی رانش به سمت بالا تجربه می‌کند.»
این اصل به چگالی جسم و سیال بستگی دارد:
- اگر چگالی جسم کمتر از چگالی سیال باشد، جسم شناور می‌ماند. (مانند چوب روی آب)
- اگر چگالی جسم بیشتر از چگالی سیال باشد، جسم غرق می‌شود. (مانند سنگ در آب)
- اگر چگالی جسم برابر با چگالی سیال باشد، جسم در میان سیال شناور می‌ماند. (مانند یک زیردریایی در اعماق خاص)
حالا چرا یک کشتی عظیم فولادی که چگالی بسیار بالایی دارد، شناور می‌ماند؟ پاسخ در حجم است. کشتی به گونه‌ای طراحی شده که حجم بسیار زیادی را اشغال می‌کند. این حجم زیاد، مقدار زیادی آب را جابجا می‌کند. وقتی چگالی کل کشتی (جرم کشتی تقسیم بر حجم کل آن، شامل فضای خالی داخلش) محاسبه شود، این عدد از چگالی آب کمتر است. بنابراین، کشتی مطابق قاعده ارشمیدس روی آب شناور می‌ماند.
محاسبه چگالی: یک آزمایش ساده در خانه
شما می‌توانید به راحتی و با وسایل ساده، چگالی یک جسم را در خانه اندازه‌گیری کنید. برای این کار به یک ترازو (برای اندازه‌گیری جرم) و یک استوانه مدرج یا یک ظرف آب (برای اندازه‌گیری حجم) نیاز دارید.
مراحل اندازه‌گیری چگالی یک سنگ کوچک:
- جرم سنگ (m) را با استفاده از ترازو اندازه بگیرید و بر حسب گرم یادداشت کنید. فرض کنید جرم سنگ 50 g باشد.
- نصف استوانه مدرج را از آب پر کنید. حجم اولیه آب (V₁) را بخوانید و یادداشت کنید. مثلاً 100 mL.
- سنگ را به آرامی و کاملاً داخل استوانه مدرج فرو ببرید. دقت کنید که سنگ کاملاً زیر آب برود.
- حجم جدید آب (V₂) را بخوانید. فرض کنید حجم جدید 115 mL باشد.
- حجم سنگ (V) از تفاضل حجم جدید و حجم اولیه به دست می‌آید:
$ V = V_2 - V_1 = 115 - 100 = 15 mL $
از آنجایی که 1 mL = 1 cm³، حجم سنگ 15 cm³ است. - حالا چگالی سنگ را محاسبه کنید:
$ \rho = \frac{m}{V} = \frac{50}{15} \approx 3.33 g/cm³ $
با این عدد می‌توانید حدس بزنید سنگ شما از چه ماده‌ای ساخته شده است (مثلاً ممکن است از نوعی سنگ آهک باشد).
کاربردهای چگالی در دنیای واقعی
چگالی فقط یک مفهوم علمی خشک نیست، بلکه در صنایع مختلف و زندگی روزمره ما کاربردهای فراوانی دارد:
- صنعت هواپیماسازی: برای ساخت بدنه هواپیما از آلیاژهای آلومینیوم استفاده می‌شود زیرا چگالی کمی دارند و در نتیجه هواپیما سبک‌تر شده و سوخت کمتری مصرف می‌کند.
- علوم پزشکی: در سونوگرافی و سایر روش‌های تصویربرداری، از تفاوت چگالی بافت‌های بدن (مانند چگالی استخوان و عضله) برای ایجاد تصویر استفاده می‌شود.
- صنایع غذایی: کنترل چگالی در تولید نوشیدنی‌ها بسیار مهم است. مثلاً در نوشابه، شکر حل شده چگالی نوشابه را افزایش می‌دهد.
- زمین شناسی و معدن: زمین‌شناسان با اندازه‌گیری چگالی سنگ‌ها و کانی‌های مختلف، می‌توانند نوع آنها را شناسایی و معادن با ارزش را کشف کنند.
- ساخت وسایل ایمنی: جلیقه‌های نجات پر از مواد با چگالی بسیار کم (مانند یونوفوم) هستند تا چگالی کلی بدن انسان را کاهش داده و او را روی آب نگه دارند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
1سیال (Fluid): به موادی گفته می‌شود که بتوانند جریان یابند و شکل ظرف خود را بگیرند. مایعات و گازها هر دو سیال هستند.
2آلیاژ (Alloy): مخلوط یا محلول جامد فلزی متشکل از یک فلز اصلی و یک یا چند عنصر دیگر که خواص بهتری از فلز اصلی داشته باشد، مانند فولاد که آلیاژی از آهن و کربن است.