ما هو تعريف الكثافة؟
تُعرف الكثافة (بالإنجليزية: Density) في الفيزياء بأنها إحدى الخصائص الفيزيائية للمادة، إذ إن لكل مادةٍ كثافة محددة تميزها عن غيرها من المواد، ويمكن تعريف الكثافة بأنها كتلة المادة لكل وحدة حجم، أي أنها النسبة بين كتلة المادة وحجمها، وهي تشير إلى مدى تقارب وتراص جزيئيات المادة، فكلما زادت كثافة المادة، ازداد التقارب بين جزيئاتها، وأصبحت متراصةً أكثر، والعكس صحيح.[١]
تكون قيم الكثافة للغازات عادةً في حدود الألف غم/سم3، وتقدر قيم الكثافة للسوائل بحوالي 1 غم/سم3، حيث تبلغ كثافة المياه العذبة مثلًا 1 غم/سم3، أما الصخور فغالبًا ما تكون كثافتها حوالي 3 غم/سم3، وتكون كثافة المعادن أعلى من 6 أو 7 غم/سم3.[٢]
ما هو قانون الكثافة؟
تم اكتشاف مبدأ الكثافة من قبل العالم اليوناني أرخميدس، ويمكن حساب الكثافة من خلال القانون الذي يربطها بالكتلة والحجم، وهو كالآتي:[٣]
- الكثافة= الكتلة/الحجم، وبالرموز: ث= ك/ح، وبالإنجليزية:
- Density= mass/volume، وبالرموز: D=M/V.
يوضح القانون أن مقدار الكثافة يتناسب طرديًا مع كتلة المادة عن ثبوت الحجم، وعكسيًا مع حجم المادة عند ثبوت كتلتها.
ما هي وحدة قياس الكثافة؟
غالبًا ما يعبّر عن الكثافة بوحدة الغرام لكل سنتيمتر مكعب (غم/سم3)، كما يمكن التعبير عنها أيضًا بوحدة الكيلوغرام لكل متر مكعب (كغم/م3)، وذلك حسب النظام العالمي للوحدات (SI unit)، والجدول الآتي يوضح الوحدات المستخدمة في القانون:[١]
| الكثافة | الكتلة | الحجم |
ث | ك | ح |
غم/سم3 | غم | سم3 |
كغم/م3 | كغم | م3 |
أمثلة على كيفية حساب الكثافة
فيما يأتي بعض الأمثلة التي توضح كيفية حساب الكثافة:
صخرة حجمها 15 سم3، وكتلتها 45 غرامًا، فما هي كثافتها؟[٤]
- إيجاد الكثافة بالتعويض المباشر في القانون:
- الكثافة= الكتلة/الحجم
- الكثافة= 45/15 = 3 غم/سم3.
قطعة كبيرة من الملح، طولها 10 سم، وعرضها 10 سم، وسمكها 2 سم، وكتلتها 433 غرامًا، فما مقدار كثافتها؟[٣]
- إيجاد حجم القطعة:
- الحجم= 10 × 10 × 2 = 200 سم3
- إيجاد الكثافة بالتعويض المباشر في القانون:
- الكثافة= الكتلة/الحجم
- الكثافة= 433/200 = 2.165 غم/سم3.
قطعة حديد يبلغ حجمها 30 سم3، وكثافتها، 2 غم/سم3، فما كتلتها؟[٤]
- إيجاد الكتلة بالتعويض المباشر في قانون الكثافة:
- الكثافة= الكتلة/الحجم
- 2= الكتلة/30
- الكتلة = 2 × 30 = 60 غم.
عربة كتلتها 2000 كيلوغرام، وكثافتها 3200 كجم/م3، فما حجمها؟[٤]
- إيجاد الحجم بالتعويض المباشر في قانون الكثافة:
- الكثافة= الكتلة/الحجم
- 3200= 2000/الحجم، (بالضرب التبادلي)
- 3200 × الحجم= 2000، (بقسمة طرفي المعادلة على 3200)
- الحجم= 2000/3200 = 0.625 م3
من الأمثلة السابقة يمكن استنتاج أن:[٣]
- الكتلة= الكثافة × الحجم
- الحجم= الكتلة/ الكثافة
ما هي الكثافة النوعية؟
تعرف الكثافة النوعية (بالإنجليزية: Specific Gravity) بأنها كثافة المادة بالنسبة لكثافة الماء، حيث يتم مقارنة كثافة العديد من المواد بكثافة الماء، لمعرفة سلوك الجسم في الماء؛ أي هل سيطفو الجسم على الماء أو سيغرق فيه، فإذا كان الجسم يطفو على الماء مثل: قطعة من الخشب، فهو أقل كثافة من الماء، وإذا غرق الجسم في الماء، مثل غرق قطعة من الصخر، فهو أكثر كثافة من الماء، ويشار إلى أن كثافة الماء تبلغ 997 كغم\م³.
تطبيقات عملية على الكثافة
تعتبر الكثافة مفهومًا رئيسيًا في تحليل كيفية تفاعل المواد مع بعضها البعض في ميكانيكا الموائع، والطقس، والجيولوجيا، وعلوم المواد والهندسة، ومجالات الفيزياء الأخرى، وفيما يأتي بعض التطبيقات العملية من الحياة اليومية على الكثافة:[٥][٦]
- يطفو الخشب على سطح الماء لأن كثافته أقل من كثافة الماء، ولهذا فإنه ينصح بالتمسك بقطعة من الخشب عند التعرض لخطر الغرق في الماء.
- تغرق مرساة السفينة في البحر لتثبتها في مكانها، لأن كثافة المعدن الذي تصنع منه المرساة أعلى من كثافة ماء البحر.
- تطفو بالونات الهيليوم (البالونات المعبأة بغاز الهيليوم He) لأن كثافة الهيليوم أقل من كثافة الهواء.
- يطفو الزيت على سطح الماء، عند خلطهما معًا، وذلك لأن الزيت أقل كثافة من الماء.
- يتم قياس كثافة السوائل المختلفة المستخدمة في السيارات، مثل: سائل ناقل الحركة، لتحديد ما إذا كان السائل بحاجة للاستبدال أم لا.
- يطفو النفط على سطح البحار والمحيطات، عند تسربه من ناقلات النفط، لأن كثافته أقل من كثافة الماء بقليل، ولهذا يمكن إزالته عن سطح الماء تجنبًا لتلوثه، وإيذاء الكائنات الحية التي تعيش فيه.
- يطفو الجليد على سطح الماء لأنه أقل كثافةً من الماء، ويشار إلى أن هذه النقطة خاصية فيزيائية غير طبيعية للحالة الصلبة/السائلة للماء، حيث إنّ الوضع الطبيعي هو أن الحالة الصلبة للمركب أعلى كثافة من الحالة السائلة له.
المراجع
- ^ أ ب "Density", britannica, Retrieved 11/7/2021. Edited.
- ↑ "How do I Calculate Density?", serc.carleton, Retrieved 11/7/2021. Edited.
- ^ أ ب ت "An Introduction to Density: Definition and Calculation", thoughtco, Retrieved 11/7/2021. Edited.
- ^ أ ب ت "Density and Specific Gravity - Practice Problems", serc.carleton, Retrieved 11/7/2021. Edited.
- ↑ "Density, Temperature, and Salinity", manoa.hawaii, Retrieved 11/7/2021. Edited.
- ↑ "What is DENSITY ?", chemistry.elmhurst, Retrieved 11/7/2021. Edited.
