الكثافه

من ويكيبيديا، الموسوعه الحره
روح على: استكشاف، تدوير
برج الكثافة, وبيوضح بعض المواد المختلفة فى الكثافة وتدرج الكثافات للمواد المختلفة

الكثافة , او بمعنى تانى هى كتلة وحدة الحجوم من المادة [1] او هى كثافة الكتلة الحجمية , وبنعبر عنها فى قوانين الفيزيا بالرمز ρ . وبلغة الرياضة الكثافة هى ناتج قسمة الكتلة (mass) على الحجم (volume)[2]:

 \rho = \frac{m}{V} ,

علاقة طردية بين الكتلة و الكثافة(زيادة الكتلة بتزيد الكثافة ),علاقة عكسية بين الكثافة و الحجم ( زيادة الحجم بتقل الكثافة ).

وبما ان الكتلة تقاس ب الكيلوجرام و الحجم بالمتر المكعب هتكون الوحدة الى بتعبر عن الكثافة هى كجم/م3. كثافة اى مادة بتتغير باختلاف درجة الحرارة و الضغط . التغير دا بيبقى صغير فى المواد الصلبة والسوائل , لاكن بيبقى كبير جدا فى الغازات. بزيادة الضضغط بيقل الحجم وبالتالى بتزيد الكثافة , وبزيادة درجة الحرارة ( مع وجود اثتثناءات بسيطة) بيزيد حجم المادة وبالتالى بتقل كثافة المادة دى . فى معظم المواد , تسخين الجزء السفلى من سائل بيتسبب فى ما يسمى بموجات الحمل الحرارى و دى بتكون من القاع للسطح . ونتيجة لقلة كثافة القاع المتسخن بيطلع للسطح و السطح الى كثافته عاليه بينزل لتحت ويسخن ويتصاعد وهكذا . ومن ابسط الأمثلة براد الشاى ( غليان المية ).

قياس الكثافة[تعديل]

للمواد المتجانسة او المادة الواحدة[تعديل]

الكثافة للمادة المتجانسة فى اى نقطة منها واحدة وبتساوى كتلتها كلها على الحجم الكلى . الكتلة بتتقاس على ميزان او مقياس , الحجم ممكن يتقاس مباشرة ( عن طريق هندسة الشكل ) او عن طريقة كمية السائل المزاح. وعلشان نحدد كثافة سائل او غاز ممكن نستخدم اجهزة زى الهيدروميتر او الداسى ميتر او جهاز كرولوس فلو ميتير على التوالى , وبالمثل الميزان الهيدروستاتيكى بيستخدم كمية المية المزاحة من الجسم علشان يحدد كثافته.

للمواد المش متجانسه[تعديل]

لو الجسم مش متجانس ( بيتكون من اختلاط اكتر من مادة ليهم كثافات مختلفة ) , كثافته هتتغير من منطقة للتانية. فى الحالة دى بيتم حساب الكثافة لأى موقع فى الجسم عن طريق حساب كثافة حجم صغير من الموقع دا . عند اقل حجم (متناهى الصغر ) ببتبقى كثافة الجسم الغير متجانس هى : ρ(\vec{r}) = dm/dV بحيث ان ال dV هو الحجم الأولى فى المكان r من الجسم . وساعتها نقدر نعبر عن كتلة الجسم بإنها:


 m = \int_V \rho(\vec{r})\,dV.

للمواد المش مخلوطة[تعديل]

عمليا, المواد الحبيبية زى السكر , الرمل , او الثلج بتحتوى على فراغات. الكثير من المواد بتتوجد فى الطبيعة على شكل الرقائق او الكور او الحبيبات . الفراغات هى اماكن موجود فيها حاجة تانية غير المادة . فى الغالب بيكون الفراغ دا عبارة عن هوا , او ممكن يكون فضاء ( فراغ ) او سائل , او مادة صلبة , او اى غاز مختلف او خليط غازى .

حجم المواد الحبيبية ( بيتضمن حجم الفراغ بين الجزيئات ) , فى الغالب نقدر نجيبه من حساب سهل مثلا زى كوباية القياس ( المعايرة ) او هندسيا عن طريق معرفة ابعاد الحبيبة. الكتلة مقسومة على حجم الحبيبة يدينا كثافة الحبيبة . ودى بتكون غير كثافة كتلة وحدة الحجوم من المادة.

وعلشان نقيس كثافة كتلة وحدة الحجوم من المادة لازم نشيل حجم الفراغ بين الجزيئات الأول. ساعات نقدر نحدده بالإستدلال الهندسى . بالنسبة ل التعبئة القريبة للأجسام المتساوية مكن توصل حجم الجزء الى مافهوش فراغات ل 74 %, وممكن تتعين بالتجربة. بعض المواد الحبيبية زى الرمل ليهم حجم متغير من الفراغ ودا بيعتمد على سواء المادة دى متناثرة او مصبوبة , ممكن تكون مفكوكة او مدمجة مع بعضها ودا بيأدى لتغير مساحة الفراغ بين الحبيبات.

عمليا, مش لازم تكون الفراغات ( المسافات البينية ) تكون هوا , او حتى غازات . فى حالة الرمل , ممكن تكون مية , والى ممكن يدى فايدة كبيرة للقياس لأن الفراغات بتكون مشبعة بالمية ( مابيكونش فيه اى فقاعات هوا ) ودا بيدى للقياس ثبات اكتر من قياس الرمل الجاف ( المسافات البينية مشبعة بالهوا ).

فى حالة المواد الغير مدمجة, لازم ناخد بلنا فى تحديد كتلة المادة . لو كانت المادة تحت ضغط ( فى العادى بيكون ضغط هواء عند سطح الأرض ) تحديد كتلة مادة من وزنها بيحتاج لمراعاه اثار الطفو بسبب كثافة الفراغ المتكون , ودا بيكون اعتمادا على ازاى القياس اتعمل. فى حالة الرمل الجاف , الرمل اكثر كثافة من الهوا بحيث ان تأثير الطفو بيكون مهمل ( اقل من جزء فى الألف ).

التغير فى الكثافة[تعديل]

فى الغالب , ممكن الكثافة تتغير لو اتغير الضغط او درجة الحرارة . وبزيادة الضغط بتزيد الكثافة. وبزيادة درجة الحرارة بتقل الكثافة ( بين الضغط والكثافة علاقة طردية, و علاقة عكسية بين الكثافة ودرجة الحرارة ) , لاكن فى استئناءات بارزة للتعميم دا. مثلا : كثافة المية بتزيد بين درجة حرارة ذوبانها من 0 °C و 4 °C و وبنفس الكيفية بتظهر فى السيليكون فى درجات الحرارة المنخفضة.

تأثير الضغط ودرجة الحرارة على كثافةا لمواد بيكون بسيط , مقدار الضغط للمواد السايلة والصلبة بيكون 10−6 بار −1 ( 1 بار = 0.1 ضغط جوى ) تحت معيار الحرارة النموذجى 10 −5 كيلفن−1. ودا بيعادل 10 الف مرة ضغط الغلاف الجوى علشان نقلل حجم مادة 1 % بس. ( بالرغم من كدا ممكن يوصل الاف المرات اقل من الغلاف الجوى ودا للتربة الطرملية و الطين ). وعلشان الحجم يزيد 1 % عادة لازم تزيد درجة الحرارة على مقياس الألف من الدرجة المئوية.

العكس بالنسبة للغازات فهى بتتأثر بالضغط بقوة . كثافة الغاز الخامل ( المثالى ) بتكون : 
 \rho = \frac {MP}{RT}, \,

بحيث ان الـ M هى الكتلة المولارية , و الـ P هى الضغط , و R هو ثابت الغاز وبيساوى 8.3144621 جول x كيلفن−1 x مول−1 , و الـ T هى درجة الحرارى المطلقة . ومعنى دا اننا ممكن نضاعف كثافة غاز خامل ( مثالى ) بمضاعفة الضفط او بتقليل درجة الحرارة المطلقة للنص .

وفى حالة التمدد الحجمى الحرارى فى ضغط ثابت وتغير بسيط فى الحرارة اعتماد الكثافة على الحرارة بيتوصف بالمعادلة دى :

\rho = \frac {{\rho_{T_0}}}{{(1 + \alpha \cdot \Delta T)}}

بحيث ان الـ \rho_{T_0} هى كثافة المادة عند الصفر المئوى ( درجة الحرارة المرجعية ) , و الـ \alpha هو معامل التمدد الحرارى للمادة فى درجة حرارة قريبة من T_0 .

مراجع[تعديل]

  1. "Density definition in Oil Gas Glossary". Oilgasglossary.com. Retrieved 2010-09-14. [dead link]
  2. "Gas Density Glenn research Center". grc.nasa.gov.