ما هي الكثافة في الفيزياء؟

2 إجابتان

تُعرّف الكثافة في علم الفيزياء بأنّها النسبة المعينة بين الحجم والكتلة نسبةً لكلّ واحدة حجم، بالإضافة إلى أنّها تمثل المقياس الفيزيائي المناسب لتعيين مقدار كتلة مادةٍ معينة ضمن واحدة الحجم، وتتميز الكثافة بكونها إحدى أبرز الخواص الفيزيائيّة التي تملكها المادة بشكلٍ منفصلٍ عن غيرها، وتعدّ واحدة الكثافة وفق نظام الوحدات الدوليّة هي الكيلو غرام.

اكتُشفت الكثافة من قبل العالم اليوناني أرخميدس ويتمّ حسابها وفق القانون التالي:

( الكثافة = كتلة المادة ÷ الحجم ).

تختلف الكثافة في المواد بمختلف حالاتها مثل:

  • في المواد الصلبة: تعبر الكثافة عن الحالة التي تكون فيها ذرات المادة مترابطة مع بعضها البعض ومضغوطة بقوّة.
  • في المواد السائلة: تبتعد الكثافة عن مستويات الضغط ففي هذه الحالة تكون المواد شديدة الحساسيّة للحرارة المتعرضة لها مثل الزئبق.

العوامل المؤثرة على الكثافة هي:

  • مدى تركيز الذرات وتماسكها ضمن حجم المادة.
  • درجات الحرارة.
  • الضغط.

يمكن للمواد أن تكون مؤلفةً من ذرات تملك وزنًا ذريًّا صغيرًا وبالمقابل تكون كثافتها أعلى من المواد ذات الوزن الذري العالي، وأيضًا للكثافة الفيزيائيّة خواصٌ عديدةٌ تنطبق على المواد كافة وهي:

  • العلاقة بين الحجم والكثافة عكسيّة، فكلما زادت الكثافة تناقص الحجم بشكلٍ متزامن.
  • للكثافة وحدات قياسٍ مستخدمة في قياس الكتلة وواحدتها (غرام) وقياس الحجم وواحدته( متر مكعب).
  • لكي يتمّ حساب الكثافة يجب معرفة قيمة الوزن والحجم لتعويضهما في معادلة الكثافة فهي لا تُحسب بشكلٍ مباشر.
  • للمعادن قيم كثافةٍ مرتفعةٍ جدًّا تكون ضمن مجال بين( 6 _ 7) غرام / سم3.
  • في حالة المواد الغازيّة تكون الكثافة ذات قيمةٍ تبلغ ألف غرام لكلّ سنتيمترٍ مكعب، أمّا في المواد السائلة فتقدر الكثافة بحوالي 1.0 غرام / سم3.
  • تفيد الكثافة الفيزيائيّة في إمكانيّة الجسم في الطفو على المواد الأخرى، فتكون المواد ذات الكثافة القليلة طافيةً على المواد ذات الكثافة العالية.

للكثافة تطبيقاتٌ كثيرةٌ ضمن مجالاتٍ علميّةٍ عديدةٍ ومن أهمّها:

  • التوازن الأرضي أو كما في الإنجليزية(Isostasy): تعدّ من التطبيقات الهامة لكشف الستار عن وضع القارات العليا المتخذة خلال فترة تواجدها على دثار الأرض.
  • علم المحيطات (Oceanography): تستخدم فيها الكثافة لتفسير ظاهرة التيارات المتتالية التي تحدث في المحيطات وتتكرر باستمرار.
  • الصخور( Rocks ): يتمّ تحديد كثافة الصخور من قبل علماء الجيولوجيا وذلك لإمكانيّة تحديد مكونات الصخور وبالتالي تسميتها وتصنيفها.
  • المعادن(Minerals ): أيضًا للكثافة دورٌ هامٌّ في تحديد أصناف المعادن وأسماءها.
  • الصفائح التكتونيّة (Tectonics Plate ): من خلال الكثافة يتمّ معرفة أسباب تحرك تلك الصفائح وحركتها بشكلٍ دقيق.
  • منحنى الإرتفاعات (The hypsometric curve): تعمل الكثافة على معرفة الإختلاف والتفاوت الملحوظ بين مستويات المرتفعات على سطح الأرض.
  • مصابيح الحمم (Lava Lamps): أو كما تسمّى مصابيح حركة السوائل والتي تعمل على تفسير كيفيّة تحرك النار صعودًا وهبوطًا وفق عدة أشكال، تصنع هذه المصابيح من وعاءٍ غميقٍ يحوي الماء ويوضع فيه أيضًا سائلٌ ذو قوامٍ زيتيٍّ وبنيةٍ عضويّة لا يمكن له الإمتزاج مع الماء، ثمّ تصبح كثافة المادة الزيتيّة أعلى من كثافة الماء في حرارة الغرفة وبالتالي تنزل لأسفل الوعاء ولكن مع رفع درجة حرارة الوعاء من خلال تشغيل المصباح يرتفع السائل الزيتي بشكلٍ تدريجيٍّ كونه يصبح ذو كثافةٍ أقل من الماء لذلك يطفو فوقه.

أكمل القراءة

هل تساءلت يومًا عن سبب ارتفاع البالون المنفوخ بغاز الهليوم عاليًا في السماء، أو سبب طفو قطعة الخشب على سطح الماء، أو لابدّ أنك حاولت في طفولتك مزج الماء والزيت معًا في محاولات مضنيةٍ منك لتنتهي جميعها بظهور بقع الزيت على سطح الماء. إنها الكثافة، هي الجواب لجميع الظواهر السابقة، فدعني أعرفك بها.

الكثافة في الفيزياء

الكثافة كما الكتلة والحجم والحرارة وغيرهم، هي أحد المقاييس الفيزيائية، أول من حددّها العالم اليوناني أرخميدس، ويُستخدم للتعبير عن توزّع كتلةٍ معيّنةٍ في حجمٍ من الفراغ، وبتعبيرٍ أكثر دقةً يمكن تعريفها على أنها كتلة المادة لكلّ وحدة حجمٍ، أو هي النسبة بين كتلة المادة وحجمها، وبالتالي يمكننا التعبير من خلالها عن مدى تماسك ذرات المادة مع بعضها، وهذا ما نجده في بعض أنواع المعادن المختلفة في صلابتها. وعلى سبيل المثال؛ بالرغم من أن ذرات القصدير أكبر من ذرات المنغنيز، إلا أنها تتوزع وتتباعد أكثر منها، وهو ما يفسّر ليونة معدن القصدير مقارنةً بالمنغنيز الأكثر تراصًا بالذرات.

 

تمثل الصورة الأولى ذرات القصدير الأكبر والأكثر تباعدًا، في حين تمثل الصورة الأخرى ذرات المنغنيز التي تبدو أصغر وأكثر تقاربًا من سابقتها.

 

 

 

 

 

 

يمكنك وبناءً على التعريف السابق من التوصل إلى المعادلة الممثلة للعلاقة بين كلٍّ من الكتلة والحجم والكثافة، فهي وكما قلنا نسبة الكتلة إلى الحجم، ومنه تكون الكثافة:

ρ = m / v

  • m هي كتلة الجسم وتقاس بالكيلو غرام.
  • V وهي حجم الجسم ويقاس بالليتر أو بالسنتميتر المكعب.
  • ρ هي الرمز الإغريقي للكثافة ويقاس بال كغ/سم3.

وتتأثر الكثافة بمجموعة من العوامل، ومن أهمها ما يلي:

  • تركيز المادة:في حجمٍ معينٍ تتجمع ذرات المادة، وبتناسبٍ عكسي تمتلك المواد ذات الوزن الذري المنخفض كثافةً أكبر من تلك التي تمتلك وزنًا ذريًّا عاليًا، والسبب هنا هو زيادة تراص ذرات المادة وترابطها في الحجم ذاته، ومن الأمثلة القصدير والمنغنيز المشروح سابقًا.
  • الحجم: تتأثر الكثافة بكلّ ما يؤثر على الحجم، وبالتالي لدرجة الحرارة والضغط دورٌ أساسيٌّ في تحديد الكثافة، فتعمل درجة الحرارة على تمدد الروابط التي تربط بين الذرات أو الجزيئات، ويزداد حجمها بالنتيجة، بالمقابل يلعب الضغط دورًا مُعاكسًا فيُسبب تطبيق الضغط على المواد تقليل حجمها.
  • الطور أو الحالة الفيزيائية: ويقصد بها الأطوار الثلاث للمادة، الصلبة والسائلة والغازية، فبمجرد تغيير الحرارة والضغط ستتغير الحالة الفيزيائية، وعادةً ما تكون الحالة الصلبة أكثر تراصًّا وتقييدًا لحركة الذرات في بنيتها البلورية؛ فتحمل الكثافة الأكبر مقارنةً بالسائلة التي تضعف فيها الروابط بين جزيئاتها، أما الغازية فهي الأكبر حجمًا للوزن ذاته لتباعد ذرات الغاز أو جزيئاته، وعليه تتغير كثافة المادة بتغير حالتها الفيزيائية.

ومن الأمثلة العملية على استخدام الكثافة في حياتنا اليومية هو اللجوء لجهاز قياس كثافة السوائل الهيدرومتر لدى فحص سوائل السيارة؛ لمعرفة إن كان من الواجب استبدالها مباشرة، أم يمكنك استخدامها لفترةٍ أطول.

ومن الأمثلة الأخرى هو معرفة مقدار الطاقة المتبقي في البطارية، فتُخزَّن طاقة البطارية في محلولٍ حمضيٍّ، وعند الاستهلاك سيتفاعل هذا المحلول مع الرصاص، فتتحوّل الطاقة إلى شكل كيميائيٍّ آخر، وبقياس كثافة المحلول الحمضي يمكن تحديد كمية الطاقة المتحولة والمتبقية في البطارية.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هي الكثافة في الفيزياء؟"؟