چگالی چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟

3206 بازدید

چگالی چیست؟

در فیزیک به نسبت جرم به حجم ماده چگالی می‌گویند. چگالی را به زبان ساده می‌توان تراکم معنا کرد. هرچه تراکم ذرات تشکیل‌دهنده ماده در واحد حجم بیشتر باشد، چگالی آن ماده بیشتر است و بالعکس. برای مثال، دو اتاق هم‌اندازه را تصور کنید که در یکی افراد کمتر و در دیگری افراد بیشتری حضور دارند. در اینصورت اصطلاحا گفته می‌شود که تراکم جمعیت در اتاق دوم بیش از اتاق اول است. درباره مواد نیز همینطور است. مواد از اتم و همچنین از مولکول تشکیل شده اند. هرچه تعداد ذرات تشکیل دهنده یک ماده در واحد حجم بیشتر باشد، آن ماده چگالی بیشتری دارد. مثلا چگالی آهن بیش از چگالی اسفنج است، زیرا یک قطعه آهن در مقایسه با یک قطعه اسفنج در اندازه مشابه، تعداد اتمها و مولکولهای بیشتری دارد. اکنون که گفته شد چگالی ماده چیست، در ادامه توضیح میدهیم که چگالی ماده چگونه محاسبه می‌شود.

یکای چگالی چیست؟

واحد یا یکای چگالی کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m^۳) است. اما ممکن است آن را برحسب واحدهای کوچکتر جرم مثل گرم بر متر مکعب یا میلی‌کرم بر متر مکعب نیز بسنجیم. برای مثال اگر چگالی هیدروژن در بخش خاصی از فضا ۱ گرم در متر مکعب باشد بدین معناست که در هر متر مکعب هوا، ۱ گرم مولکول یا اتم هیدروژن وجود دارد.

چگالی چگونه محاسبه می‌شود: فرمول محاسبه چگالی چیست؟

چگالی ماده (p) از تقسیم جرم (m) بر حجم ماده (v) حاصل می‌شود. همانطور که گفتیم واحد یا یکای اندازه‌گیری چگالی، کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m^۳) است. پس فرمول محاسبه چگالی چنین است:

P=m/v

چگالی و حالت ماده: جامد، مایع و گاز

هرچه چگالی ماده بیشتر باشد، تراکم اتم‌های آن بیشتر و درنتیجه ماده سخت‌تر خواهدبود. پس می‌توان نتیجه گرفت که در کل، چگالی مواد جامد بیش از چگالی مواد مایع و گازی است. و چگالی مواد مایع بیش از چگالی مواد گازی است.

برای مثال:

چگالی گاز هیدروژن تنها ۰.۰۸۹ کیلوگرم بر متر مکعب است. یعنی اگر فضایی به حجم یک متر مکعب را با گاز هیدروژن پر کنید، جرم اتم‌های هیدروژن کمتر از صد گرم و دقیقا ۰.۹۸ کیلوگرم خواهدبود.
چگالی آب، ۱۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. یعنی اگر فضایی به حجم یک متر مکعب را از آب پر کنید، جرم مولکول‌های آب، ۱۰۰۰ کیلوگرم خواهدبود.
چگالی فولاد ۷۵۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. پس اگر از فولاد خالص، مکعبی به حجم یک متر مکعب بسازید، جرم مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن ۷۵۰۰ کیلوگرم خواهدبود.

چگالی آب و رابطه آن با دما

با این‌که گفته شد، در کل چگالی ماده در حالت جامد بیش از چگالی همان ماده در حالت مایع و گاز است، اما استثناهایی هم می‌توان یافت. آب یکی از آن استثناهاست. کاهش دمای آب در تغییر چگالی آن موثر است. با کاهش دمای آب به صفر و کمتر از صفر درجه سانتیگراد، آب یخ می‌زند و به حالت جامد در می‌آید. اما چگالی آب جامد کمتر از چگالی آب در حالت مایع است. و به همین سبب یخ روی آب شناور می‌ماند.

نکاتی درباره چگالی

دو ماده با جرم و وزن یکسان ممکن است چگالی متفاوتی داشته باشند.
موادی که چگالی بیشتری دارند، حجم کمتری اشغال می‌کنند و بالعکس، موادی که چگالی کمتری دارند، حجم بیشتری اشغال می‌کنند. برای مثال، گازها چگالی کمتری دارند، یعنی فاصله اتم‌ها و مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن‌ها از هم بسیار بیشتر است. به همین علت گازها در دمای عادی در فضا پراکنده می‌شوند و حجم بیشتری اشغال می‌کنند. اما مواد جامد که چگالی بیشتری دارند، فشرده‌تر هستند و حجم کمتری می‌گیرند.
اگر چگالی یک ماده از چگالی آب کمتر باشد، روی آب شناور می‌ماند. اما اگر چگالی ماده بیش از چگالی آب باشد، در آب پایین می‌رود. برای مثال، گفته شد که چگالی آب حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. پس اگر یک قطعه چوب بامبو را که چگالی آن حدود ۳۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب است به آب بیاندازید، روی آب شناور می‌ماند.
چگالی جز فیزیک در جاهای دیگر هم معنا دارد. همانطور که قبلا اشاره کردیم، چگالی را می‌توان تراکم نیز معنا کرد. مثلا وقتی می‌گوییم چگالی جمعیت در جایی زیاد است، یعنی تعداد ساکنان آن منطقه نسیت به مساحت منطقه زیاد است.

بیشترین چگالی‌ مربوط به کدام مواد است؟

باتوجه به این‌که هسته اتم (متشکل از پروتون‌ها و نوترون‌ها) اکثر جرم اتم‌های عادی را تشکیل می‌دهد، چگالی عادی ماده به میزان فشردگی هسته اتم و نیز ساختار درونی اتم‌های یک ماده بستگی دارد. یعنی هرچه هسته اتم متراکم‌تر باشد، چگالی ماده نیز بیشتر می‌شود.

از بین مواد طبیعی زمین که بشر تاکنون کشف کرده است، فلز اوسمیوم (osmium) بیشترین چگالی را دارد. اما اگر مواد مصنوعی را نیز به حساب آوریم، بیشترین چگالی مربوط به عنصر هاسیوم (Hassium) است. هاسیوم عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۱۰۸ و نماد Hs است. چگالی عنصر هاسیم ۴۰.۷×۱۰^۳ کیلوگرم بر متر مکعب است. پس از هاسیوم، عنصر مصنوعی میتنریوم (Meitnerium) با چگالی ۳۷.۴×۱۰^۳ در رده دوم است.

اما اگر از مرزهای زمین فراتر رویم، موادی می‌یابیم که چگالی آن‌ها بسیار بیشتر است. برای مثال، اجرام آسمانی مثل ستاره‌های کوتوله و ستاره‌های نوترونی چگالی بسیار بیشتری دارند.

جدول چگالی برخی از مواد

نام و چگالی ماده
چگالی اوسمیوم	۱۰^۳ * ۲۲.۶ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی ایریدیوم	۱۰^۳ * ۲۲.۴ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی پلاتین	۱۰^۳ * ۵۲۱.۶ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی رنیوم	۱۰^۳ * ۲۱.۰ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی طلا	۱۰^۳ * ۱۹.۳ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی تنگستن	۱۰^۳ * ۱۹.۳ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی اورانیوم	۱۰^۳ * ۱۸.۸ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی تانتالیوم	۱۰^۳ * ۱۶.۶ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی رودیم	۱۰^۳ * ۱۲.۴ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی توریم	۱۰^۳ * ۱۱.۷ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی سرب	۱۰^۳ * ۱۱.۳ (کیلوگرم بر متر مکعب)
چگالی نقره	۱۰^۳ * ۱۰.۵ (کیلوگرم بر متر مکعب)