آموزش چگالی مواد و محاسبه آن به زبان ساده

چگالی و نحوه محاسبه چگالی به زبان ساده

احتمالاً با تعریف چگالی آشنا هستید. چگالی به معنای نسبت وزن به حجم یک ماده است. اهمیت و کاربرد مکرر چگالی در همه علوم به هیچکس پوشیده نیست.

با استفاده از چگالی می‌توانید تعیین کنید که آیا یک جسم در آب غوطه‌ور می‌شود یا بر روی آن شناور می‌ماند. چگالی آب معادل (1g/cm³) است و به عنوان معیاری برای سنجش و مقایسه چگالی دیگر مواد استفاده می‌شود.

در ادامه این مقاله از رضیم با ما همراه باشید تا با زبانی ساده و در دو مرحله با نحوه محاسبه چگالی مواد آشنا شوید.

بخش اول: تعیین مقادیر جرم و حجم

قبل از اینکه بخواهیم فرمول محاسبه چگالی را یاد بگیریم، ابتدا باید مقادیر لازم را به دست آوریم. برای این کار، مراحل زیر را دنبال می‌کنیم:

اندازه‌گیری جرم تجهیزات

اگر می‌خواهید چگالی یک مایع یا گاز را اندازه‌گیری کنید، ابتدا باید وزن ظرفی که آن مایع یا گاز را درون آن دارید، بدانید تا بتوانید مقدار دقیق آن را بدست آورید.

برای این کار، ظرف خالی را روی ترازو بگذارید و وزن آن را یادداشت کنید. برخی ترازوها امکان صفر کردن وزن ظرف را دارند.

به عنوان مثال، اگر یک لیوان خالی به وزن ۳۰۰ گرم روی ترازو قرار دهید، می‌توانید تنظیم کنید تا به جای 300g، عدد ۰ نشان داده شود. در این صورت وقتی مایعی را داخل لیوان بریزید، فقط وزن آن مایع نمایش داده می‌شود.

اگر می‌خواهید چگالی یک جامد را اندازه‌گیری کنید، می‌توانید این مرحله را نادیده بگیرید و از مرحله دوم شروع کنید.

محاسبه جرم

وزن نشان داده شده توسط ترازو را یادداشت کنید. اگر از ترازوهای ساده استفاده می‌کنید، باید به یاد داشته باشید که وزن ظرف را از وزن کل (ظرف + مایع یا گاز) کم کنید.

واحد استاندارد برای وزن، گرم (g) است. اما برخی از ترازوها ممکن است وزن را به واحدهای دیگری نشان دهند. تبدیل واحدهای زیر در این موارد مفید است:

1 ounce = 28.35 g

1 pound = 453.59 g

محاسبه حجم جسم یا ماده بر حسب (cm³)

اگر جسمی که می‌خواهید بررسی کنید، جامد و دارای شکل هندسی منظم باشد، می‌توانید به سادگی با استفاده از فرمول خاص آن، حجم آن را محاسبه کنید.

برای محاسبه حجم مایعات هم می‌توانید از ظروفی که بصورت دقیق مدرج هستند، مانند بشر، ارلن یا استوانه مدرج استفاده کنید.

برای محاسبه حجم گازها به تجهیزات بیشتری نیاز داریم. بر اساس قانون بویل، در دمای ثابت، حجم یک گاز با فشار آن رابطه معکوس دارد.

اگر در دمای ثابت، فشار گاز داخل ظرف را اندازه‌گیری کنید، به کمک رابطه (V ∝ 1/P) می‌توانید حجم آن را پیدا کنید. برای اطلاعات بیشتر در مورد گازها می‌توانید به مقاله “گاز ایده‌ آل — به زبان ساده” مراجعه کنید.

اگر جسدی که بررسی می‌کنید، جامد و با ساختار نامنظم باشد، می‌توانید با کمک آب، حجم آن را به دست آورید. ابتدا یک ظرف مناسب بردارید و مقداری آب به آن اضافه کنید و حجم آب را یادداشت کنید.

توجه داشته باشید که ۱ میلی‌لیتر آب برابر با ۱ سانتی‌متر مکعب (cm³) است. حالا جسم را در ظرفی که آب دارد بیندازید و دوباره حجم آب را اندازه‌گیری کنید.

“`

آمده را یادداشت می‌کنیم.

طبق «اصل ارشمیدس»، حجم جسمی که در آب قرار می‌گیرد برابر با حجم آبی است که جا‌به‌جا می‌شود. بنابراین برای پیدا کردن حجم جسم مورد نظر، باید حجم آب اولیه را از حجم آبی که بعد از قرار دادن جسم در آب به دست می‌آید کم کنیم.

بخش دوم: استفاده از فرمول چگالی

چگالی به معنای نسبت جرم به حجم ماده است. یعنی ما به راحتی می‌توانیم این را با یک فرمول ریاضی بنویسیم:

ρ=mV

این فرمول بسیار ساده است و فقط دو متغیر دارد: جرم و حجم که در بخش قبلی درباره آن‌ها صحبت کردیم. با وارد کردن مقدارهای به دست آمده در این فرمول، می‌توانیم چگالی آن ماده را محاسبه کنیم.

مثال:

اگر جرم یک جسم 20 گرم و حجم آن 5 سانتیمتر مکعب باشد، چگالی آن به صورت زیر محاسبه می‌شود:

ρ=mV=205=4gcm3

به یاد داشته باشید که چگالی تحت تأثیر دما و فشار نیز قرار می‌گیرد. بنابراین مهم است که دما و فشار زمانی که چگالی یک ماده را گزارش می‌کنید، ذکر شود. در جدول زیر، چگالی برخی مواد رایج مانند آب، جیوه، طلا و سرب در دمای ۰ درجه سلسیوس و فشار ۱ اتمسفر آمده است.

یک نکته مهم درباره واحد چگالی است. توجه کنید که جرم بر حسب گرم (g) و حجم بر حسب سانتیمتر مکعب (cm3) بیان می‌شود.

1000kgm3=1gcm3

مثال:

اسمیم (Osmium) یکی از چگال‌ترین فلزها در کره زمین است و چگالی آن 22.5×103kgm3 می‌باشد. حالا اگر بخواهیم جرم قطعه‌ای از این فلز با حجم 23 سانتیمتر مکعب را بدانیم، به روش زیر عمل می‌کنیم:

توجه کنید که در اینجا چگالی بر حسب kgm3 و حجم به سانتیمتر مکعب است. پس با تبدیل حجم به متر مکعب، داریم:

ρ=mV→m=ρV=(22.5×103kgm3)×(23×10−6m3)⇒m=0.518kg

این عدد نشان می‌دهد که اگر ما یک قطعه کوچک به اندازه یک قوطی کبریت از فلز اسمیم داشته باشیم، وزن آن 0.518 کیلوگرم است.

تفسیر چگالی به دست آمده

به نظر شما جسمی که در مثال اول گفتیم، آیا در آب غوطه‌ور می‌شود یا روی آب می‌ماند؟

چگالی آب 1 g/cm3 است. یعنی ۱ گرم آب، حجمی معادل ۱ cm3 را پر می‌کند. اگر چگالی یک جسم بیشتر از چگالی آب باشد، آن جسم در آب غوطه‌ور می‌شود و اگر چگالی‌اش کمتر باشد، روی آب شناور می‌ماند.

این قضیه برای مایعات دیگر هم صدق می‌کند. مثلا اگر روغن را به آب اضافه کنید و روغن روی آب بیفتد، یعنی چگالی آن کمتر از آب است. حال به نظر شما چرا آب برای خاموش کردن آتش ناشی از بنزین که چگالی آن 6.80×102 kg/m3 است، مناسب نیست؟