وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي
وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي هي أحد أهم الوحدات لارتباطها بالعديد من التطبيقات العلمية والحياتية، لذلك يوجد تفسيرات علمية عديدة ومفصلة عن الكثافة وطبيعة قياس الوحدات الخاصة بها والطرق اللازمة لذلك، ويتطلب قياس الكثافة الدقة واستخدام أدوات علمية متخصصة لهذا، فوجب التعريف عن الكثافة ووحدات قياسها وأهميتها في النواحي العلمية المختلفة.
محتويات المقال
[ عرض ]
تعريف الكثافة
- للكثافة الكثير من التعريفات على حسب ما تدل عليه من معاني مختلفة.
- المتعارف عليه أن الكثافة هي إحدى الخصائص الفيزيائية للمواد باختلاف أنواعها، فلكل مادة كثافة معينة ومحددة تختلف عن كثافة المواد الأُخرى.
- تُعرف الكثافة علميًا بأنها العلاقة التي تربط كتلة جسم ما بحجمه.
- تتباين قيمة اختلاف كثافة المواد عن طريق الظواهر الطبيعية من الغرق أو الطفو، فكلما زادت كثافة المواد أدى ذلك لغرقها أسرع وكلما قلت كثافتها طافت هذه المواد بشكل سلس على سطح الماء.
- ظاهرة التيارات المائية التي توجد 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 بين كثافة المواد المختلفة، ومن أهم هذه العوامل ما يأتي:
الكتلة الذرية
- تتكون نواة أي ذرة من مجموعة أو عدد محدد من الجسيمات الدقيقة القسمة لثلاث أنواع، بروتونات وهي جسيمات موجبة الشحنة ونيوترونات وهي جسيمات عديمة أو متساوية الشحنة، وإلكترونات وهي جسيمات سالبة الشحنة.
- العدد الكتلي الذري هو ما يمثل مجموع هذه الجسيمات بنسب معينة.
- الذرات ذات العدد الأكبر من مجموع جسيمات البروتونات والنيوترونات تكون عدد كُتلتها أكبر من تلك الذرات ذات العدد الأقل.
- كتلة جسيمات الإلكترونات أقل من مجموع كتلة جسيمات البروتونات والنيوترونات، لذلك الذرات ذات العدد الأكبر من جسيمات الإلكترونات تصبح كُتلتها أقل من باقي الذرات.
قوة الروابط بين الجزيئات
- تُعتبر الروابط بين ذرات الجزيء المكون للمادة من أهم ما يُحدد الخصائص المميزة لهذه المادة ومن أهمها الكثافة.
- حالة المادة نفسها من كونها صلبة أو سائلة أو غازية تتحدد من خلال نوع وبنية الروابط بين ذرات الجزيء، فكلما زادت قوة هذه الروابط قلة المسافات البينية بين ذرات الجزيئات فأصبح صلب، وإذا قلت هذه الروابط أصبح جزئ سائل، وإذا انعدمت أصبح جُزئ غازي.
- قوة ارتباطات هذه الجزيئات بعد ذلك فيما بينها يعمل على اختلاف التركيب البلوري للمادة بشكل عام مما يؤثر على كثافتها.
- كلما زادت الروابط كلما زاد عدد الذرات الموجودة داخل مساحة صغيرة مما يُزيد من الكثافة.
- كلما قلت الروابط كلما قل عدد الذرات الموجودة داخل مساحة صغيرة مما يُقلل من الكثافة.
الكثافة المختلطة
- بعض المواد تحتوي جزيئات في حالة سائلة بجانب جزيئات في حالة غازية، وذلك ما يسمى بمصطلح الكثافة المختلطة.
- يؤدي الاختلاف في طبيعة وحالة الجزيئات داخل المادة بالتأثير المباشر على كثافتها.
وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي
- بعد التعريف بمفهوم الكثافة يتضح أنه لا يمكن القيام بقياس الكثافة بدون معرفة كل من الكتلة والحجم الخاصين بالمادة المراد قياس كثافتها.
- حيث أنه القانون الرياضي المتبع لقياس الكثافة هو (كثافة أي جسم ما تساوي كتلة هذا الجسم مقسومة على حجمه). لابد من تعيين كل من كتلة الجسم وحجمه لمعرفة كثافته بدقة.
- وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي تساوي وحدة قياس الكتلة في النظام الدولي مقسومة على وحدة الحجم في النظام الدولي.
- وحدة قياس الكتلة في النظام الدولي هي الكيلوجرام، في حين أن وحدة قياس الحجم في النظام الدولي هي المتر المكعب، فتكون تبعًا لذلك وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي هي الكيلوجِرام لكل متر مكعب.
- حدد النظام الدولي للوحدات القياسية وحدة قياس الكثافة بأنها الكيلوجرام الواحد على المتر المكعب الواحد.
- هناك بعض الوحدات الأكثر استخدامًا لقياس كثافة المواد وهي وحدات أصغر من وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي، من هذه الوحدات: وحدة الجرام لكل مللِي متر، ووحدة الجرام لكل لتر، وهي فعالة في قياس كثافة المواد ذات الأحجام الصغيرة.
اختلاف كثافة المواد باختلاف درجات الحرارة
- المعلومة الأساسية والحقيقة العلمية المتعارف عليها دائمًا أن المواد الصلبة تكون أعلى المواد في الكثافة تليها المواد السائلة بكثافة أقل َفي النهاية المواد الغازية تكون الأقل كثافة.
- هذه الحقيقة تم إثبات عدم تطبيقها على كافة المواد في جميع الحالات أو تحت مختلف الظروف.
- أتضَح أنه هناك مواد سائلة قد تكون كثافتها أكبر من مواد صلبة، من خلال وجود علاقة قوية بين درجة حرارة تلك المواد وكثافتها.
- ترتبط وتؤثر درجة الحرارة بحركة الذرات داخل جزيئات المادة مما يعمل على تغير طبيعة وقوة الروابط بين تلك الذرات مما يؤدي لاختلاف كثافتها، فَفي المواد الغازية هناك علاقة طردية بين درجة حرارة الذرات وحجم المادة فكلما زادت درجة الحرارة زاد حجم المادة والعكس صحيح.
فيما يلي بعض المواد التي تؤثر درجة الحرارة على كثافتها:
الماء النقي
- تتأثر كثافة الماء النقي تأثير مباشر باختلاف درجة الحرارة.
- تسخين الماء النقي والعمل على زيادة درجة حرارته يعمل على انخفاض كثافته.
- السبب في ذلك يرجع لزيادة الطاقة الحركية لجزيئات الماء النقي عند ارتفاع درجة حرارتها مما يجعلها تشغل مساحة أكبر فيزداد حجمها وتقل كثافتها.
شاهد أيضًا: كثافة الخشب العزيزي والزان؟
السوائل النقية
- مركب الإيثانول النقي يعتبر من أحد صور السوائل النقية فهو مركب قطبي كالماء، يقوم بتكوين روابط هيدروجينية بين ذرات.
- شكل البنية لمركب الإيثانول النقي هي نفسها البنية ذات الشبكات الثلاثية للماء.
- لكن على عكس الماء الذي تزداد كثافته بانخفاض درجة الحرارة، فإن مركب الإيثانول التقي تقل كثافته إذا ما انخفضت درجة حرا ته.
- تسلُك معظم السوائل النقية نفس سلوك مركب الإيثانول النقي عند التعرض لدرجات الحرارة المنخفضة.
الصيغة الرياضية لقياس الكثافة
- يعتبر عن الكثافة في اللغة اللاتينية القديمة والمستخدمة في الرموز الكيميائية الحالية بالرمز(ρ) ويطلق عليه اسم(رو).
- بينما يعتبر عن الكتلة في اللغة اللاتينية القديمة بالرمز(M) وهو أول حروف كلمة(Mass) أو(ماس) والتي تعني الكتلة.
- كما يعتبر عن الحجم في اللغة اللاتينية القديمة بالرمز(V) وهو أول حروف كلمة(Volume) أو(فوليم) والتي تعني الحجم.
- بذلك تصبح الصيغة الرياضية للمعادلة الكيميائية التي تقاس بقانونها الكثافة هي: ρ = M / V، وتدل على أن الكثافة هي ناتج قسمة الكتلة على الحجم، ووحدة قياس الناتج تكون بالكيلوجرام لكل متر مكعب.
كثافة بعض المواد المختلفة
للمواد المختلفة كثافات مختلفة نتعرف عليها فيما يلي:
كثافة مادة الثلج
- تبلغ كثافة مادة الثلج وذلك عند درجة حرارة التجْميد (درجة صفر سِيليزيس) 917. جرام لكل مللِي لتر.
كثافة جزئ الماء
- تبلغ كثافة جزئ الماء وذلك عند درجة حرارة أربعة درجة سيليزية هي واحد جرام لكل مللِي لتر.
كثافة عنصر الذهب
- تبلغ كثافة عنصر الذهب 19.13 جرام لكل مللِي لتر.
كثافة دهون الجسم
- تبلغ كثافة دهون الجسم 94. جرام لكل ملِلي لتر.
كثافة الهواء الجاف
- تبلغ كثافة الهواء الجاف في درجة حرارة خمسة وعشرين درجة سِيليزيس 001185. جرام لكل ملِلي لتر.
كثافة غاز الهيليوم
- تبلغ كثافة غاز الهيليوم في درجة حرارة خمسة وعشرين درجة سِيليزيس 000164. جرام لكل ملِلي لتر.
كثافة مادة الفلين
- تتراوح كثافة مادة الفلين ما بين 22.-26. جرام لكل مللِي لتر.
كثافة مادة سكر المائدة
- تبلغ كثافة مادة سكر المائدة 1.59 جرام لكل مللِي لتر.
كثافة التربة
- تبلغ كثافة التربة 5.54 جرام لكل مللِي لتر.
شاهد أيضًا: الفرق بين الكتلة والوزن والحجم والكثافة
وحدة قياس الكثافة في النظام الدولي تعد من الوحدات الأساسية المهمة في معرفتها لما لها من تطبيقات علمية وحياتية متنوعة، فمَعرفة كثافة أي مادة تفيد في الاستدلال باقي الخصائص الفيزيائية لها.