دعونا نفكر في المقال في كيفية العثور على الكثافة وما هي. في تصميم العديد من الهياكل والمركبات ، يتم أخذ عدد من الخصائص الفيزيائية في الاعتبار التي يجب أن تحتوي عليها مادة معينة. واحد منهم هو الكثافة.
الكتلة والحجم
فك معنى كميتين فيزيائيتين مرتبطتين مباشرة بهما - هذه الكتلة والحجم. قبل ان نجيب على السؤال كيف نحدد الكثافة
الكتلة هي خاصية تصف خصائص القصور الذاتي للأجسام وقدرتها على إظهار الجاذبية لبعضها البعض. تقاس الكتلة بالكيلوجرام في نظام SI
تم تقديم مفاهيم الكتل القصورية والجاذبية لأول مرة في الفيزياء بواسطة إسحاق نيوتن عند صياغة قوانين الميكانيكا والجاذبية العامة.
الحجم هو خاصية هندسية حصرية للجسم ، والتي تعكس كميًا جزء المساحة التي يشغلها. يقاس الحجم بوحدات الطول المكعبة ، على سبيل المثال ، في النظام الدولي للوحدات هو متر مكعب.
للهيئات ذات الشكل المعروف(متوازي السطوح ، كرة ، هرم) يمكن تحديد هذه القيمة بصيغ خاصة ، بالنسبة للأشياء ذات الشكل الهندسي غير المنتظم ، يتم تحديد الحجم بغمرها في سائل.
كثافة الكمية المادية
الآن يمكنك الانتقال مباشرة إلى إجابة السؤال عن كيفية العثور على الكثافة. يتم تحديد هذه الخاصية من خلال نسبة كتلة الجسم إلى الحجم الذي يشغله ، والتي تتم كتابتها رياضيًا على النحو التالي:
ρ=م / ف
هذه المساواة توضح وحدات ρ (kg / m3). وبالتالي ، ترتبط الكثافة والكتلة والحجم بمساواة واحدة ، وتوضح قيمة ρ لأي مادة تركيز حجم كتلتها.
لنعطي مثالًا بسيطًا: إذا أخذت كرات بلاستيكية وحديدية من نفس الحجم في يدك ، فإن الثانية سيكون لها وزن أكبر بكثير من الأولى. هذه الحقيقة ترجع إلى ارتفاع كثافة الحديد مقارنة بكثافة البلاستيك.
أحد المظاهر الرئيسية لنسبة الكثافات في الطبيعة هو طفو الأجساد. إذا كانت كثافة الجسم أقل من كثافة السائل ، فلن يغرق فيها أبدًا.
كثافة المواد
عند الحديث عن كثافة مواد معينة ، فإنها تعني المواد الصلبة. الغازات والسوائل لها أيضًا كثافة معينة ، لكننا لن نتحدث عنها هنا.
يمكن أن تكون المواد الصلبة إما بلورية أو غير متبلورة. تعتمد قيمة ρ على التركيب والمسافات بين الذرية والكتل الذرية والجزيئية للمواد. على سبيل المثال ، جميع المعادن بلورات ، والزجاج أو الخشبهيكل غير متبلور. يوجد أدناه جدول بكثافة أنواع مختلفة من الخشب.
يرجى ملاحظة أنه في هذه الحالة يتم إعطاء متوسط الكثافة. في الحياة الواقعية ، لكل شجرة ميزات فريدة ، بما في ذلك الفراغات والمسام ووجود نسبة معينة من الرطوبة في الخشب.
يوجد أدناه جدول آخر. في ذلك ، في جم / سم3يتم إعطاء كثافة لجميع العناصر الكيميائية النقية الموجودة في درجة حرارة الغرفة.
يمكن أن نرى من الجدول أن جميع العناصر لها كثافة أكبر من كثافة الماء. الاستثناء هو ثلاثة معادن فقط - الليثيوم والبوتاسيوم والصوديوم ، والتي لا تغرق ، بل تطفو على سطح الماء.
كيف يتم قياس الكثافة تجريبياً؟
في الواقع ، هناك طريقتان لتحديد الخاصية قيد الدراسة. الأول هو وزن الجسم مباشرة وقياس أبعاده الخطية.
إذا كان الشكل الهندسي للجسم معقدًا ، فسيتم استخدام ما يسمى بالطريقة الهيدروستاتيكية.
جوهرها كما يلي: أولا وزن الجسم في الهواء. لنفترض أن الوزن الناتج كان P1. بعد ذلك ، يتم وزن الجسم في سائل بكثافة معروفة ρl. دع وزن الجسم في السائل يكون P2. ثم ستكون قيمة الكثافة ρ للمادة قيد الدراسة:
ρ=ρl P1/ (P1-P2 ).
يمكن الحصول على هذه الصيغة من قبل كل طالب بمفرده إذا أخذ في الاعتبار قانون أرخميدسللحالة الموصوفة.
تاريخياً ، يُعتقد أنه لأول مرة استخدم الفيلسوف اليوناني أرخميدس الوزن الهيدروستاتيكي لتحديد التاج الذهبي المزيف. اخترع غاليليو جاليلي أول موازين هيدروستاتيكية في نهاية القرن السادس عشر. حاليًا ، تُستخدم أجهزة قياس الكثافة الإلكترونية ومقاييس الكثافة على نطاق واسع لتحديد قيمة ρ في السوائل والمواد الصلبة والغازات بشكل تجريبي.
التعريف النظري للكثافة
تمت مناقشة مسألة كيفية العثور على الكثافة بشكل تجريبي أعلاه. ومع ذلك ، يمكن العثور على ρ من مادة غير معروفة نظريًا. للقيام بذلك ، من الضروري معرفة نوع الشبكة البلورية ، ومعلمات هذه الشبكة ، وكذلك كتلة الذرات المكونة لها. نظرًا لأن أي شبكة بلورية أولية لها شكل هندسي معين ، فمن السهل العثور على صيغة لتحديد حجمها.
إذا كانت المادة البلورية تتكون من عدة عناصر كيميائية ، مثل السبائك المعدنية ، فيمكن تحديد متوسط كثافتها بالصيغة البسيطة التالية:
ρ=∑mi/ ∑ (mi/ ρi).
حيث mi، ρiهي كتلة وكثافة المكون i ، على التوالي.
إذا كانت المادة ذات بنية غير متبلورة ، فلن يكون من الممكن نظريًا تحديد كثافتها بدقة ، ويجب استخدام التقنيات التجريبية.
