وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي تعد من الوحدات الأهم في العديد من التطبيقات العلمية والحياتية، ولذلك هناك تفسيرات كثيرة ومفصلة حول الكثافة وكيفية قياسها والوحدات المختصة بها والطرق اللازمة لذلك، ويتطلب قياس الكثافة دقة واستخدام أدوات علمية متخصصة، لذا يجب توضيح مفهوم الكثافة ووحدات قياسها وأهميتها في المجالات العلمية المختلفة.
تعريف الكثافة
- تحمل كلمة `الكثافة` عدة تعريفات تعكس معان مختلفة.
- تعد الكثافة واحدة من الخصائص الفيزيائية المميزة للمواد بأنواعها المختلفة، ولكل مادة كثافة محددة تختلف عن كثافة المواد الأخرى.
- تعريف الكثافة علميا هو العلاقة بين كتلة جسم ما وحجمه.
- تتفاوت قيمة اختلاف كثافة المواد بواسطة الظواهر الطبيعية للغرق أو الطفو، حيث يزداد غرق المواد سرعة كلما زادت كثافتها، وتطفو المواد بسلاسة على سطح الماء كلما انخفضت كثافتها.
- ظاهرة التيارات المائية المتواجدة في المحيطات، ظاهرة تيارات الهواء الباردة والساخنة، وغيرها من العديد من الظواهر.
شاهد أيضًا: خصائص الخشب الفيزيائية والكيميائية
العوامل التي تؤثر على كثافة المواد
تؤثر بعض العوامل وتساهم في وجود اختلاف واضح في كثافة المواد المختلفة، ومن بين هذه العوامل الهامة ما يلي:
الكتلة الذرية
- تتكون نواة أي ذرة من مجموعة محددة من الجسيمات الدقيقة، وتنقسم إلى ثلاثة أنواع: البروتونات التي لها شحنة موجبة، والنيوترونات التي ليست لها شحنة، والإلكترونات التي لها شحنة سالبة.
- العدد الذري هو ما يمثل مجموع الجسيمات هذه بنسب معينة.
- الذرات التي تحتوي على عدد أكبر من جسيمات البروتونات والنيوترونات لها كتلة أكبر من تلك الذرات التي تحتوي على عدد أقل.
- كتلة جسيمات الإلكترونات أقل من مجموع كتلة جسيمات البروتونات والنيوترونات، لذلك يصبح وزن الذرات التي تحتوي على عدد أكبر من جسيمات الإلكترونات أقل من وزن الذرات الأخرى.
قوة الروابط بين الجزيئات
- تعد الروابط بين ذرات الجزيء المكونة للمادة من أهم العوامل التي تحدد الخصائص المميزة لهذه المادة، ومن بينها الكثافة.
- يتحدد حالة المادة نفسها، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية، بناء على نوع وبنية الروابط بين ذرات الجزيء. كلما زادت قوة هذه الروابط، قلت المسافات بين ذرات الجزيئات، وأصبحت الحالة صلبة. وإذا قلت هذه الروابط، أصبحت الحالة سائلة، وإذا انعدمت الروابط، أصبحت الحالة غازية.
- قوة ارتباط هذه الجزيئات يؤدي إلى تغيير التركيب البلوري للمادة بشكل عام، مما يؤثر على كثافتها.
- كلما زادت الروابط، زاد عدد الذرات الموجودة في مساحة صغيرة مما يزيد من الكثافة.
- كلما قلت الروابط، قل عدد الذرات داخل مساحة صغيرة، وهذا يقلل من الكثافة.
الكثافة المختلطة
- بعض المواد تحتوي على جزيئات في حالة سائلة إلى جانب جزيئات في حالة غازية، وهذا ما يعرف بمصطلح الكثافة المختلطة.
- تؤثر الاختلافات في طبيعة وحالة الجزيئات داخل المادة مباشرة على كثافتها.
وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي
- بعد تعريف مفهوم الكثافة، يصبح واضحا أنه لا يمكن قياس الكثافة بدون معرفة كل من الكتلة والحجم للمادة التي يرغب في قياس كثافتها.
- باستخدام القانون الرياضي المعتمد لحساب الكثافة، يتم تحديدها بمقدار كتلة الجسم مقسومة على حجمه، ولذلك يجب تحديد كتلة الجسم وحجمه بدقة لمعرفة كثافته.
- وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي تعادل وحدة قياس الكتلة مقسومة على وحدة الحجم في النظام الدولي.
- ويعتبر الكيلوجرام وحدة قياس الكتلة في النظام الدولي، بينما يعتبر المتر المكعب وحدة قياس الحجم في النظام الدولي. ونتيجة لذلك، فإن الكيلوجرام لكل متر مكعب يعتبر وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي.
- وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي للوحدات هي الكيلوجرام لكل متر مكعب واحد.
- هناك بعض الوحدات الأكثر استخداما لقياس كثافة المواد، وهي وحدات أصغر من وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي، وتشمل تلك الوحدات: وحدة الجرام لكل ملليمتر، ووحدة الجرام لكل لتر، وهي فعالة في قياس كثافة المواد ذات الأحجام الصغيرة.
اختلاف كثافة المواد باختلاف درجات الحرارة
- المعلومة الأساسية والحقيقة العلمية المقبولة دائما هي أن المواد الصلبة تكون أكثر كثافة من المواد السائلة، وتليها المواد الغازية بأقل كثافة.
- تم إثبات عدم تطبيق هذه الحقيقة على جميع المواد في جميع الحالات أو تحت ظروف مختلفة.
- تبين أن هناك مواد سائلة قد تكون أكثر كثافة من المواد الصلبة، وذلك بفضل العلاقة القوية بين درجة حرارة تلك المواد وكثافتها.
- ترتبط درجة الحرارة بحركة الذرات داخل جزيئات المادة، مما يؤدي إلى تغيير في طبيعة وقوة الروابط بين تلك الذرات وبالتالي يتغير كثافتها، ففي المواد الغازية، هناك علاقة عكسية بين درجة حرارة الذرات وحجم المادة، حيث يزداد حجم المادة كلما ازدادت درجة الحرارة والعكس صحيح.
فيما يلي بعض المواد التي تؤثر درجة الحرارة على كثافتها:
الماء النقي
- تتأثر كثافة الماء النقي بشكل مباشر بتغير درجة الحرارة.
- عند تسخين الماء النقي وزيادة درجة حرارته، تنخفض كثافته.
- السبب في ذلك يعود إلى زيادة الحركية لجزيئات الماء النقي عند ارتفاع درجة حرارتها، مما يجعلها تحتل مساحة أكبر وتزداد حجما وتقل كثافتها.
شاهد أيضًا: كثافة الخشب العزيزي والزان؟
السوائل النقية
- الإيثانول النقي يعتبر واحدا من السوائل النقية، وهو مركب قطبي مثل الماء، يشكل روابط هيدروجينية بين الذرات.
- هي نفس الهيكل الجزيئي للإيثانول النقي الموجود في الماء الثلاثي الأبعاد.
- ولكن على عكس الماء الذي يزداد كثافته بانخفاض درجة الحرارة، فإن مركب الإيثانول يقل كثافته إذا انخفضت درجة حرارته.
- تتبع معظم السوائل النقية نفس سلوك المركب النقي للإيثانول عند تعرضها لدرجات حرارة منخفضة.
الصيغة الرياضية لقياس الكثافة
- فهو يعد كثافة في اللغة اللاتينية القديمة المستخدمة في الرموز الكيميائية الحالية، ويرمز له بالرمز (ρ) ويطلق عليه اسم (رو).
- ويعتبر الرمز (M) في اللغة اللاتينية القديمة ممثلا للكتلة، وهو أول حرف في كلمة (Mass) أو (ماس) والتي تعني الكتلة.
- في اللغة اللاتينية القديمة، يرمز للحجم بالحرف (V)، وهو أول حرفين من كلمة (Volume) أو (فوليم) وتعني الحجم.
- بذلك تصبح الصيغة الرياضية للمعادلة الكيميائية التي تقاس بقانونها الكثافة هي: ρ = M / V، وهي تعبر عن الكثافة بواسطة قسمة الكتلة على الحجم، ووحدة القياس للكثافة هي كيلوجرام لكل متر مكعب.
كثافة بعض المواد المختلفة
للمواد المختلفة كثافات مختلفة نتعرف عليها فيما يلي:
كثافة مادة الثلج
- تبلغ كثافة مادة الثلج عند درجة حرارة التجمد (صفر درجة مئوية) 917 جراما لكل مليلتر.
كثافة جزئ الماء
- تصل كثافة جزيء الماء إلى واحد غرام لكل مليلتر عند درجة حرارة أربع درجات مئوية.
كثافة عنصر الذهب
- كثافة عنصر الذهب تبلغ 19.13 جرام لكل مليلتر.
كثافة دهون الجسم
- كثافة دهون الجسم تبلغ 94 جراما لكل مليلتر.
كثافة الهواء الجاف
- تبلغ كثافة الهواء الجاف عند درجة حرارة 25 درجة مئوية حوالي 0.001185 غرام لكل ملليلتر.
كثافة غاز الهيليوم
- كثافة غاز الهيليوم في درجة حرارة 25 درجة مئوية تبلغ 0.164 جرام لكل مليلتر.
كثافة مادة الفلين
- كثافة مادة الفلين تتراوح بين 22 و26 جرام لكل ملليلتر.
كثافة مادة سكر المائدة
- تصل كثافة سكر المائدة إلى 1.59 غرام لكل مليلتر.
كثافة التربة
- تكون كثافة التربة 5.54 جرام لكل مللي لتر.
شاهد أيضًا: الفرق بين الكتلة والوزن والحجم والكثافة
وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي هي إحدى الوحدات الأساسية المهمة التي يجب معرفتها بسبب تطبيقاتها العلمية والحياتية المتنوعة، فمعرفة كثافة أي مادة تساعد في تحديد باقي الخصائص الفيزيائية لها.
