ما هي كتلة المادة الموجودة في وحدة الحجوم

كتلة المادة الموجودة في وحدة الحجوم

الكثافة

هي كتلة المادة الموجودة في وحدة الحجوم .

وكثافة كمية من المادة هي كتلتها مقسومة على حجمها.

والكثافة هي خاصية مادية للمادة التي تعبر عن علاقة الكتلة بالحجم، فكلما زادت كتلة الجسم في مساحة معينة، زادت كثافته.

ونظرًا لأن المواد المختلفة لها كثافة مختلفة، فإن قياسات الكثافة تعد وسيلة مفيدة لتحديد أنواع المواد.

تتراوح كثافة المواد المختلفة من 19.3 جم / سم 3 للذهب إلى 0.09 كجم / م 3 للهيدروجين.

لاحظ أن كثافة المادة تظل كما هي بغض النظر عن مقدار هذه المادة الموجودة.

رمز الكثافة في الفيزياء

ρ



هو رمز الكثافة في الفيزياء

، وهذا الرمز هو الحرف اليوناني (رو).

معادلة قياس الكثافة

الكثافة = الكتلة / الحجم

ρ = m/V

• ρ هي الكثافة
• M هي الكتلة
• V هو الحجم

ومن المعادلة يتضح أن العلاقة بين كثافة المادة وكتلتها علاقة طردية أي أنه في حالة زيادة كتلة المادة تزيد كثافتها.

أما العلاقة بين الكثافة والحجم فهي علاقة عكسية، وهذا يعني أنه كلما زاد حجم المادة قلت كثافتها، والعكس. [1]

وحدة قياس الكثافة

الوحدة القياسية للكثافة هي

كجم / م 3

.

ومع ذلك يمكن أن تكون أيضًا في جم / سم 3 ، وكذلك كجم / لتر و رطل / قدم 3، وتقاس كثافة الغازات عادةً بالكيلو جرام / م 3 ، بينما تقاس كثافة السوائل والمواد الصلبة بوحدة جرام / سم 3.

كثافة المواد الصلبة والسائلة والغازية

يرجع الاختلاف بين كثافات المواد الصلبة والسوائل والغازات إلى المسافة بين الجسيمات في كل حالة من حالات المادة.

كثافة المواد الصلبة والسائلة

• تكون جزيئات المادة الصلبة قريبة جدًا من بعضها البعض.
• وعندما تذوب المواد الصلبة تتحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة.
• وعند تحول المادة من صلبة إلى سائلة تظل الجزيئات قريبة من بعضها، ومع ذلك يكون هناك زيادة طفيفة في الحجم.
• لذلك سيكون للكتلة نفسها من السائل حجم أكبر بقليل من نفس المادة الصلبة.

على سبيل المثال:

• كثافة الحديد الصلب = 7.8 جم / سم 3
• أما كثافة الحديد السائل = 6.9 جم / سم 3

كثافة السوائل والغازات

• تتبخر المادة عندما تتغير من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.
• فتتحرك جزيئاتها بحرية وهي متباعدة جدًا، لذلك يكون هناك زيادة كبيرة في حجم المادة الغازية عن المادة في حالتها السائلة.
• لذلك سيكون للكتلة نفسها من الغاز حجم أكبر بكثير من السائل، وبالتالي سيكون لها كثافة أقل بكثير. [2]

على سبيل المثال:

• كثافة الأكسجين السائل = 1.1 جم / سم 3
• كثافة الأكسجين الغازي = 0.0014 جم / سم 3

كثافة الماء

تبلغ كثافة الماء 1 جرام لكل سنتيمتر مكعب أو 1 جم / مل.

لكنها في الحقيقة ليست 1 بالضبط، لكنها تساوي 0.9998395 جم / مل عند 4.0 درجة مئوية (39.2 درجة فهرنهايت)، ويتم تقريبها إلى 1.

وتختلف درجة كثافة الماء تبعًا لاختلاف درجة الحرارة، والجدول التالي يوضح درجة كثافة الماء مقاسة بالكيلوجرام على المتر المكعب، عند درجات الحرارة المختلفة: [3]

الكثافة والطفو

عندما صعد العالم أرخميدس إلى حوض الاستحمام الخاص به لم يدرك فقط أن الماء انسكب على الحواف، ولكنه لاحظ أيضًا شيئًا نلاحظه جميعًا عندما نذهب للسباحة، لقد شعر بالخفة.

إن قدرة الجسم على “الطفو” عند وضعه في سائل تسمى قوة الطفو وترتبط بالكثافة، إذا كان الجسم أقل كثافة من السائل الذي يوضع فيه، فسوف يطفو إذا كان أكثر كثافة من السائل، فسوف يغرق.

يشرح هذا المفهوم سبب طفو بعض الأجسام على الماء بينما يغرق البعض الآخر، على سبيل المثال تطفو معظم أنواع الخشب على الماء لأنها أقل كثافة من الماء، وبالمقارنة، فإن الفولاذ يغرق لأنه أكثر كثافة من الماء.

كيف إذن يمكن للسفن السياحية الفولاذية الكبيرة أن تبقى طافية؟

تحتوي السفن الكبيرة على مساحة هائلة مليئة بالهواء، لذلك  في حين أن الفولاذ أكثر كثافة من الماء ، فإن الهواء أقل كثافة من الماء، ويمكن للسفن المعدنية أن تطفو لأن كثافتها الإجمالية ( الصلب بالإضافة إلى الهواء ) أقل من كثافة الماء الذي تطفو عليه.

لكن عندما يتم اختراق الهيكل المعدني للسفينة، مثلما حدث عندما اصطدمت تيتانيك بجبل جليدي ، تندفع المياه وتستبدل الهواء الموجود في بدن السفينة، ونتيجة لذلك ، تتغير الكثافة الإجمالية للسفينة وهذا يؤدي إلى غرق السفينة.

يتم استخدام مفهوم الكثافة المتغيرة أيضًا بشكل شائع في نوع آخر من السفن وهو الغواصة.

حيث تمتلك الغواصة حجمًا ثابتًا ولكن يمكنها تغيير كتلتها عن طريق امتصاص الماء في خزانات الصابورة، وعندما يتم أخذ المياه في صهاريج الصابورة ، تزداد كتلة الغواصة (وبالتالي كثافتها) وتحقق الغواصة طفوًا سلبيًا يسمح لها بالغطس في أعماق المحيط.

على العكس من ذلك ، عندما يتم إطلاق الماء من صهاريج الصابورة ، تقل كثافة الوعاء مما يسمح لها بالطفو والظهور على السطح.[4]