بیایید در مقاله چگونگی پیدا کردن چگالی و چیستی آن را در نظر بگیریم. در طراحی بسیاری از سازه ها و وسایل نقلیه، تعدادی ویژگی فیزیکی که یک ماده خاص باید داشته باشد در نظر گرفته می شود. یکی از آنها چگالی است.
جرم و حجم
معنای دو کمیت فیزیکی را که مستقیماً با آن مرتبط هستند رمزگشایی کنید - این جرم و حجم است. قبل از اینکه به این سوال پاسخ دهیم که چگونه چگالی را پیدا کنیم.
جرم مشخصه ای است که ویژگی های اینرسی اجسام و توانایی آنها در نشان دادن جاذبه گرانشی به یکدیگر را توصیف می کند. جرم در سیستم SI بر حسب کیلوگرم اندازه گیری می شود.
مفاهیم جرم های اینرسی و گرانشی اولین بار توسط اسحاق نیوتن در هنگام تدوین قوانین مکانیک و گرانش جهانی به فیزیک معرفی شد.
حجم یک مشخصه هندسی منحصراً بدن است که از نظر کمی بخشی از فضایی را که اشغال می کند منعکس می کند. حجم بر حسب واحد مکعب طول اندازه گیری می شود، به عنوان مثال، در SI متر مکعب است.
برای بدن هایی با شکل شناخته شده(موازی، توپ، هرم) این مقدار را می توان با فرمول های خاص تعیین کرد، برای اجسام با شکل هندسی نامنظم، حجم با غوطه ور کردن آنها در مایع تعیین می شود.
چگالی کمیت فیزیکی
اکنون می توانید مستقیماً به پاسخ این سؤال بروید که چگونه چگالی را پیدا کنید. این مشخصه با نسبت توده بدن به حجمی که اشغال می کند تعیین می شود که از نظر ریاضی به صورت زیر نوشته می شود:
ρ=m/V.
این برابری واحدهای ρ را نشان می دهد (kg/m3). بنابراین، چگالی، جرم و حجم با یک برابری منفرد مرتبط هستند و مقدار ρ برای هر ماده، غلظت حجمی جرم آن را نشان می‌دهد.
بیایید یک مثال ساده بزنیم: اگر توپ های پلاستیکی و آهنی هم اندازه را در دست بگیرید، وزن دومی بسیار بیشتر از توپ اول خواهد بود. این واقعیت به دلیل چگالی بالای آهن در مقایسه با پلاستیک است.
یکی از مظاهر اصلی نسبت چگالی در طبیعت، شناور بودن اجسام خواهد بود. اگر چگالی بدن کمتر از مایع باشد، هرگز در آن فرو نمی‌رود.
تراکم مواد
وقتی در مورد چگالی برخی مواد صحبت می شود، منظور آنها جامدات است. گازها و مایعات نیز چگالی خاصی دارند، اما در اینجا در مورد آنها صحبت نمی کنیم.
مواد جامد می توانند کریستالی یا بی شکل باشند. مقدار ρ به ساختار، فواصل بین اتمی و جرم اتمی و مولکولی مواد بستگی دارد. به عنوان مثال، تمام فلزات کریستال هستند و شیشه یا چوب هستندساختار بی شکل در زیر جدولی از چگالی انواع چوب آمده است.
لطفاً توجه داشته باشید که در این مورد چگالی متوسط داده شده است. در زندگی واقعی، هر درخت دارای ویژگی های منحصر به فردی است، از جمله فضای خالی، منافذ، و وجود درصد خاصی از رطوبت در چوب.
در زیر جدول دیگری است. در آن، بر حسب گرم در سانتی متر3 چگالی همه عناصر شیمیایی خالص که در دمای اتاق هستند، آورده شده است.
از جدول می توان فهمید که همه عناصر دارای چگالی بیشتر از آب هستند. استثنا فقط سه فلز است - لیتیوم، پتاسیم و سدیم، که فرو نمی روند، اما روی سطح آب شناور می شوند.
چگالی به طور تجربی چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟
در واقع دو تکنیک برای تعیین ویژگی مورد مطالعه وجود دارد. اولین مورد، وزن کردن مستقیم بدن و اندازه گیری ابعاد خطی آن است.
اگر شکل هندسی بدن پیچیده است، از روش به اصطلاح هیدرواستاتیک استفاده می شود.
ماهیت آن این است: ابتدا بدن را در هوا وزن کنید. فرض کنید وزن حاصل P1 بود. پس از آن، بدن در مایعی با چگالی مشخص ρl وزن می شود. بگذارید وزن بدن در مایع P2 باشد. سپس مقدار چگالی ρ ماده مورد مطالعه خواهد بود:
ρ=ρlP1/(P1-P 2).
این فرمول را هر دانش آموز می تواند به تنهایی به دست آورد اگر قانون ارشمیدس را در نظر بگیرد.برای مورد توصیف شده.
از نظر تاریخی، اعتقاد بر این است که برای اولین بار توزین هیدرواستاتیک توسط ارشمیدس فیلسوف یونانی برای تعیین تاج طلای جعلی استفاده شد. اولین ترازوی هیدرواستاتیکی توسط گالیله گالیله در پایان قرن شانزدهم اختراع شد. در حال حاضر، پیکنومترهای الکترونیکی و چگالی‌سنج‌ها به طور گسترده برای تعیین تجربی مقدار ρ در مایعات، جامدات و گازها استفاده می‌شوند.
تعریف نظری چگالی
سوال چگونگی یافتن چگالی به صورت تجربی در بالا مورد بحث قرار گرفت. با این حال، این ρ از یک ماده ناشناخته را می توان به صورت نظری یافت. برای این کار لازم است نوع شبکه کریستالی، پارامترهای این شبکه و همچنین جرم اتم های تشکیل دهنده آن را بشناسیم. از آنجایی که هر شبکه کریستالی ابتدایی شکل هندسی خاصی دارد، یافتن فرمولی برای تعیین حجم آن آسان است.
اگر یک ماده کریستالی از چندین عنصر شیمیایی مانند آلیاژهای فلزی تشکیل شده باشد، چگالی متوسط آن را می توان با فرمول ساده زیر تعیین کرد:
ρ=∑mi/∑(mi/ρi).
که mi، ρi به ترتیب جرم و چگالی مولفه i ام هستند.
اگر ماده دارای ساختار آمورف باشد، از نظر تئوری نمی توان چگالی آن را به طور دقیق تعیین کرد و باید از تکنیک های آزمایشی استفاده کرد.
