الكثافة صفة مميزة للمادة و تتغير بتغير المادة و كذلك تتغير في نفس المادة بتغير حالتها. في المقال يتم تعريف الكثافة و قانونها و كيفية حسابها و تطبيقات على الكثافة.
تعريف الكثافة
كتلة وحدة الحجوم من المادة عند درجة حرارة معينة. و من تعريف الكثافة يمكن تخمين قانونها من خلال التعريف (كتلة و حجم).
قانون الكثافة
وحدة قياس الكثافة
التمثيل البياني
- علاقة طردية.
- يكون الميل هو
- الميل (الكثافة) يظل ثابت فكلما زادت الكتلة زاد معها الحجم.
رمز الكثافة المستخدم هو ρ (الحرف اليوناني رو). وحدة الكثافة في النظام الدولي للوحدات هي kg.m−3. ولكن قد تجد أيضًا بعض الناس تستخدم وحدة g.cm −3. العلاقة بينهم هي الأتي 1000kg.m−3 = 1 g cm −3
حساب الكثافة
هناك عنصران لقياس الكثافة (الكتلة m والحجم Vol)
- الكتلة و تقاس بالميزان.
- الحجم و يمكن حساب الحجم إذا كان الحجم يخص شكل منتظم فإنه يتم استخدام القوانين المعروفة لحساب الحجم على سبيل المثال إذا كان الشكل كرة فإن حجم الكرة يمكن تحديده بدلالة نصف قطرها
. أما إذا كان الشكل شكل غير منتظم فهذا يعني أنه يمكن تحديد حجمه باستخدام المخبار المدرج المملوء بكمية معلومة من السائل. حيث يتم وضع الجسم الغير منتظم في السائل وتحديد الزيادة في الحجم. و يصبح حجم الجسم الغير منتظم يساوي فرق الحجم بين الحالتين.
. أما إذا كان الشكل شكل غير منتظم فهذا يعني أنه يمكن تحديد حجمه باستخدام المخبار المدرج المملوء بكمية معلومة من السائل. حيث يتم وضع الجسم الغير منتظم في السائل وتحديد الزيادة في الحجم. و يصبح حجم الجسم الغير منتظم يساوي فرق الحجم بين الحالتين.المادة الأكبر كثافة تنغمر بينما المادة الأقل كثافة تطفو. يتضح ذلك عند خلط مجموعة من السوائل غير قابلة للامتزاج أو الذوبان في بعضهما مثل الزيت والماء. حيث يطفو الزيت ليكون طبقة فوق الماء لأنه أقل منها كثافة. ويمكن تحديد الطفو الانغمار من خلال الكثافة النسبية أيضا.
العوامل التى تتوقف عليها الكثافة
- الوزن الذري للعنصر أو الوزن الجزيئي للمركب .
- المسافات البينية بين الذرات أو الجزيئات .
الشكل يوضح مادة ذات كثافة عالية حيث المسافات البينية بين الذرات صغيرة.
الكثافة لا تتوقف على الكتلة m ولا على الحجم Vol فإذا تم زيادة كتلة العينة إلى الضعف فهذا يعني أن حجمها أيضا زادت إلى الضعف ومن ثم فإن الكثافة تظل ثابتة.
مما سبق يتضح أن :
- الكثافة لا تتغير بتغير الكتلة المأخوذة من المادة أو حجمها فهى ثابتة للمادة الواحدة عند ثبوت درجة الحرارة والضغط .
- تتغير الكثافة بتغير نوع المادة .
- كثافة نفس المادة تتغير بتغير درجة الحرارة ،لأن زيادة درجة الحرارة يؤدى إلى زيادة المسافات البينية بين الذرات أو الجزيئات وبالتالي يزداد الحجم Vol دون تغير الكتلة m. و بالتالي تقل الكثافة.
جهاز قياس كثافة السوائل
جهاز قياس كثافة السوائل هو الهيدروميتر و يمكنك معرفة تركيبه وطريقة عمل الهيدروميتر.
تطبيقات على الكثافة
1- الاستدلال على مدى شحن البطارية السيارة بقياس كثافة المحلول الإلكتروليتي بالبطارية
المحلول الالكتروليتي هو المحلول الذي يتوسط لأقطاب كي يتفاعل معها و ينتج الكهرباء و في بطارية السيارة هو حمض الكبريتيك المخفف. أثناء عمل بطارية السيارة يقل تركيز حمض الكبريتيك المركز نتيجة استهلاكه (تفريغ شحن البطارية) حيث يتفاعل مع ألواح الرصاص وتتكون كبريتات الرصاص و الماء. يصاحب ذلك نقص في كثافة المحلول . بينما عند شحن البطارية (لتكوين الحمض مرة أخرى) حيث تتحرر أيونات الكبريتات من ألواح الرصاص وتعود للمحلول مرة أخرى فتزداد كثافة المحلول الإلكتروليتي.
هناك اختلاف بين الحالتين في الكثافة و التي بقياسها يمكن تحديد هل البطارية مشحونة أم لا؟
2- تشخيص بعض الأمراض بمعلومية كل من
الكثافة النوعية للبول
الكثافة النوعية للدم
2- تشخيص بعض الأمراض مثل
| الأنيميا بقياس كثافة الدم | الأملاح بقياس كثافة البول |
| فى الحالة الطبيعية تتراوح كثافة الدم ما بين 1040kg/m3 إلى بين 1060kg/m3 فإذا كانت كثافة الدم أقل من ذلك دل ذلك على نقص تركيز كريات الدم الحمراء وهذا يشير الى مرض الانيميا (فقر الدم). | الكثافة المعتادة للبول هى بين 1020kg/m3 و هي أكبر قليلا من كثافة الماء حيث وجود بعض الأملاح. زيادة كثافة البول عن الحالة الطبيعية فهذا يشير إلى زيادة تركيز الأملاح فى البول. |
امتحان تقويمي (اختيار من متعدد) للتأكد من فهمك لدرس الكثافة.