دانشجویان پس از آشنایی با مفهوم جرم و حجم مواد در فیزیک، ویژگی مهم هر جسمی را که چگالی نامیده می شود، مطالعه می کنند. مقاله زیر به این ارزش اختصاص دارد. سوالات معنای فیزیکی چگالی در زیر نشان داده شده است. فرمول چگالی نیز داده شده است. روش‌های اندازه‌گیری تجربی آن شرح داده شده است.
مفهوم چگالی
بیایید مقاله را با ضبط مستقیم فرمول چگالی ماده شروع کنیم. به نظر می رسد:
ρ=m / V.
در اینجا m جرم جسم در نظر گرفته شده است. در سیستم SI بر حسب کیلوگرم بیان می شود. در کارها و در عمل، می توانید واحدهای اندازه گیری دیگری را نیز پیدا کنید، به عنوان مثال، گرم یا تن.
نماد V در فرمول بیانگر حجمی است که پارامترهای هندسی بدن را مشخص می کند. در SI در متر مکعب اندازه گیری می شود، البته کیلومتر مکعب، لیتر، میلی لیتر و غیره نیز استفاده می شود.
فرمول چگالی نشان می دهد که چه جرمی از یک ماده در یک واحد وجود داردجلد. با استفاده از مقدار ρ، می توان تخمین زد که کدام یک از دو جسم با حجم های مساوی وزن بیشتری دارند یا کدام یک از دو جسم حجم بیشتری با جرم های مساوی دارند. به عنوان مثال، چگالی چوب کمتر از آهن است. بنابراین، با حجم مساوی از این مواد، جرم آهن به طور قابل توجهی از مقدار مشابه برای یک درخت بیشتر خواهد شد.
مفهوم چگالی نسبی
نام این کمیت نشان می دهد که مقدار مورد مطالعه برای یک بدن نسبت به ویژگی مشابه برای دیگری در نظر گرفته می شود. فرمول چگالی نسبی ρr به شکل زیر است:
ρr=ρs / ρ0.
جایی که ρs چگالی ماده اندازه گیری شده است، ρ0 چگالی است که در برابر آن مقدار ρ r اندازه گیری می شود. بدیهی است ρr بدون بعد است. این نشان می دهد که چند بار ماده اندازه گیری شده چگال تر از استاندارد انتخاب شده است.
برای مایعات و جامدات، طبق استاندارد ρ0 این مقدار را برای آب مقطر در دمای ۴ oC انتخاب کنید. در این دما است که آب دارای حداکثر چگالی است، که یک مقدار مناسب برای محاسبات است - 1000 کیلوگرم در متر 3 یا 1 کیلوگرم در لیتر.
برای سیستم های گازی، مرسوم است که از چگالی هوا در فشار اتمسفر و دمای صفر به عنوان استاندارد oC استفاده شود.
وابستگی چگالی به فشار و دما
مقدار مورد مطالعه برای یک جسم خاص ثابت نیست،اگر دما یا فشار خارجی آن را تغییر دهید. با این حال، مایعات و جامدات در بسیاری از موقعیت ها تراکم ناپذیر هستند، به این معنی که چگالی آنها با تغییر فشار و همچنین تغییرات دما ثابت می ماند.
تأثیر فشار به صورت زیر آشکار می شود: هنگامی که افزایش می یابد، میانگین فاصله بین اتمی و بین مولکولی کاهش می یابد، که تعداد مول های یک ماده را در واحد حجم افزایش می دهد. بنابراین تراکم در حال افزایش است. تأثیر واضح فشار بر مشخصه مورد مطالعه در مورد گازها مشاهده می شود.
دما اثر معکوس فشار دارد. با افزایش دما، انرژی جنبشی ذرات ماده افزایش می یابد، آنها شروع به حرکت فعال تر می کنند، که منجر به افزایش میانگین فاصله بین آنها می شود. واقعیت اخیر منجر به کاهش چگالی می شود.
باز هم، این تأثیر برای گازها بیشتر از مایعات و جامدات است. یک استثنا برای این قاعده وجود دارد - این آب است. بطور تجربی ثابت شده است که در محدوده دمایی 0-4 oC چگالی آن با گرم شدن افزایش می یابد.
جسم همگن و ناهمگن
فرمول چگالی که در بالا نوشته شده مطابق با میانگین ρ برای جسم در نظر گرفته شده است. اگر مقدار کمی حجم را به آن اختصاص دهیم، آنگاه مقدار محاسبه شده ρi می تواند بسیار با مقدار قبلی متفاوت باشد. این واقعیت با وجود توزیع غیر یکنواخت جرم بر حجم مرتبط است. در این مورد، چگالیρi را محلی می نامند.
با توجه به موضوع توزیع غیر یکنواخت ماده، توضیح یک نکته جالب به نظر می رسد. وقتی شروع به در نظر گرفتن حجم اولیه نزدیک به مقیاس اتمی می کنیم، مفهوم پیوستگی متوسط نقض می شود، به این معنی که استفاده از مشخصه چگالی محلی منطقی نیست. مشخص است که تقریباً کل جرم یک اتم در هسته آن متمرکز است که شعاع آن حدود 10-13 متر است. چگالی هسته توسط یک رقم بزرگ تخمین زده می شود. این 2، 31017 کیلوگرم/متر3 است.
اندازه گیری چگالی
در بالا نشان داده شد که مطابق با فرمول، چگالی برابر با نسبت جرم به حجم است. این واقعیت به ما این امکان را می دهد که با وزن کردن بدن و اندازه گیری پارامترهای هندسی مشخصه مشخص شده را تعیین کنیم.
اگر شکل بدن بسیار پیچیده است، روش جهانی برای تعیین چگالی، توزین هیدرواستاتیک خواهد بود. مبتنی بر استفاده از نیروی ارشمیدسی است. ماهیت روش ساده است. ابتدا بدن را در هوا و سپس در آب وزن می کنند. برای محاسبه چگالی مجهول از اختلاف وزن استفاده می شود. برای این کار از فرمول زیر استفاده کنید:
ρ=ρl P0 / (P0 - P l)،
where P0، Pl - وزن بدن در هوا و مایع. بر این اساس، ρl چگالی مایع است.
روش توزین هیدرواستاتیک برای تعیین چگالی، طبق افسانه، اولین بار توسط یک فیلسوف اهل سیراکوز استفاده شد.ارشمیدس او توانست بدون نقض تمامیت بدنی تاج تعیین کند که نه تنها از طلا، بلکه از فلزات کمتر چگالی نیز برای ساخت آن استفاده شده است.
