اختلاف چگالی: تفاوت وزن واحد حجم که باعث بالا و پایین رفتن مواد مذاب می‌شود.

اختلاف چگالی: نیروی پنهان حرکت در مایعات داغ

چگالی چیست؟ وزن مخصوص یک تکه از ماده

فرض کن دو مکعب هم‌اندازه داری: یکی از چوب پنبه و دیگری از آهن. هر دو دقیقاً یکسان هستند، اما مسلماً آهن سنگین‌تر است. دلیل این است که آهن در حجم یکسان، جرم بیشتری دارد. به این ویژگی چگالی می‌گوییم. چگالی در واقع نشان می‌دهد ذرات یک ماده چقدر به هم فشرده هستند.

فرمول ساده چگالی به صورت زیر است:

واحد چگالی معمولاً گرم بر سانتی‌متر مکعب (g/cm³) یا کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m³) است. برای مثال:

وقتی مواد گرم می‌شوند یا سرد می‌شوند: تغییر چگالی

حالا یک نکته جالب: چگالی یک ماده با دما تغییر می‌کند. وقتی یک مایع (مانند آب یا فلز مذاب) را گرم می‌کنیم، ذرات آن انرژی بیشتری می‌گیرند و سریع‌تر حرکت می‌کنند. این حرکت باعث می‌شود ذرات از هم فاصله بگیرند. یعنی حجم ماده کمی بیشتر می‌شود در حالی که جرم آن ثابت است. طبق فرمول چگالی، اگر حجم زیاد شود و جرم ثابت بماند، چگالی کمتر می‌شود. برعکس، وقتی یک ماده سرد می‌شود، ذرات کندتر حرکت می‌کنند، به هم نزدیک‌تر می‌شوند، حجم کمتر می‌شود و چگالی بیشتر می‌شود.

مثال آشپزخانه: وقتی آب را در یک قوری روی اجاق گاز گرم می‌کنی، آب نزدیک کف قوری که مستقیم گرم می‌شود، گرم‌تر و در نتیجه چگالی آن کمتر از آب سردتر قسمت‌های بالایی می‌شود. این اختلاف چگالی باعث می‌شود آب گرم‌تر (سبک‌تر) به سمت بالا حرکت کند و آب سردتر (سنگین‌تر) جای آن را پایین بگیرد. این چرخه مداوم را جریان همرفتی می‌نامند که دقیقاً همان چیزی است که باعث می‌شود کل آب در قوری به جوش بیاید.

کوه‌های آتشین: نقش اختلاف چگالی در آتشفشان‌ها

در اعماق زمین، سنگ‌ها آنقدر داغ هستند که ذوب می‌شوند و ماده‌ای به نام ماگما را تشکیل می‌دهند. ماگما معمولاً چگالی کمتری از سنگ‌های جامد اطراف خود دارد (چون داغ است و حاوی گاز است). این اختلاف چگالی مانند یک نیروی بالابرنده عمل می‌کند و ماگمای سبک‌تر را به سمت بالا، به طرف پوسته زمین، می‌راند. اگر این ماگما به سطح زمین برسد، آتشفشان تشکیل می‌شود و گدازه بیرون می‌ریزد.

از طبیعت تا صنعت: جداسازی مواد با استفاده از چگالی

این قانون ساده طبیعت (مواد با چگالی کمتر بالا می‌روند) در صنعت بسیار کاربردی است. یکی از مهم‌ترین کاربردها، ذوب و بازیافت فلزات است.

تصور کن در یک کوره بزرگ، آلومینیوم مذاب و آهن مذاب با هم مخلوط شده‌اند. چگالی آلومینیوم مذاب حدود 2.3 g/cm³ و چگالی آهن مذاب حدود 7.0 g/cm³ است. وقتی این مخلوط مدتی ساکن بماند، نیروی گرانش و اختلاف چگالی کار خودشان را می‌کنند: آهن مذاب سنگین‌تر به ته ظرف می‌رود و آلومینیوم مذاب سبک‌تر روی آن قرار می‌گیرد. سپس می‌توان هر لایه را جداگانه خارج کرد. به این فرآیند جدایش بر اساس چگالی یا تفکیک گرانشی می‌گویند.

مثال دیگر، صنایع غذایی است. برای جدا کردن خامه از شیر، شیر را در دستگاه سانتریفیوژ می‌چرخانند. چرخش سریع، نیرویی مشابه گرانش اما قوی‌تر ایجاد می‌کند. خامه که چگالی کمتری دارد، به مرکز یا سطح رویی رانده می‌شود و شیر بدون چربی که سنگین‌تر است، به بیرون یا پایین می‌رود.

پرسش‌های مهم و اشتباهات رایج

پاورقی

¹اختلاف چگالی (Density Difference): تفاوت در مقدار جرم موجود در واحد حجم بین دو ماده یا بین دو بخش از یک ماده (مثلاً بخش گرم و سرد).

²ماگما (Magma): سنگ مذاب داغ زیر پوسته زمین که حاوی مواد سیلیکاتی، کانی‌ها و گازهای حل‌شده است.

³همرفت (Convection): روش انتقال گرما در مایعات و گازها که در آن حرکت خود ماده (به دلیل اختلاف چگالی) عامل جابه‌جایی گرماست.

⁴سیلیس (Silica): ترکیب شیمیایی سیلیکون دی‌اکسید (SiO₂) که جزء اصلی بسیاری از سنگ‌ها و ماگماهاست.

⁵نیروی شناوری (Buoyant Force): نیروی بالابرنده‌ای که یک سیال (مایع یا گاز) به جسم غوطه‌ور در خود وارد می‌کند. مقدار این نیرو به چگالی سیال بستگی دارد.