ما هي الكثافة
يمكن تعريف الكثافة بأنها نسبةٌ محددةٌ بين الحجم والكتلة بالنسبةِ لكل وحدة حجمٍ، كما أنها أيضًا المقياس الفيزيائي الأنسب لحساب مقدار الكتلة لمادةٍ ما في وحدة الحجم، ويعود الفضل في استكشافِ هذا المبدأ إلى العالم اليوناني الكبير أرخميدس، وتُحسب عادةً تبعًا للمعادلة (كتلة المادة/الحجم)، وتعتبر الكثافة بأنها أبرز الخصائص الفيزيائية التي تمتاز بها المواد وتنفرد بها عن غيرها، وتستخدم معها وحدة "الكيلو غرام" تبعًا لنظام الوحدات الدولي.
تمتاز الكثافة في الأجسام الصلبة بأن لها ذراتٍ مترابطةٍ معًا ومضغوطةٍ بقوةٍ، أما في السوائل فإنها تنفصل تمامًا عن مستويات الضغط؛ إلا أنها تتصف بشدة حساسيتها لدرجات الحرارة التي قد تتعرض لها كما هو الحال في الزئبق.
خصائص الكثافة
من أبرز الخصائص التي تطغى على الكثافة عامةً وتنطبق مع جميع المواد:
- يصبح حجم المادة أقل بالتزامنِ مع ازدياد الكثافة لها، فالعلاقة بينهما عسكيةٌ.
- تستخدم الكثافة وحدات القياس تلك المستخدمة في قياس الكتلة (غرام) والحجم (متر مكعب).
- يصعب معرفة كثافة مادةٍ ما مباشرةً؛ لذلك يستلزم معرفة الوزن والحجم لتوظيفهما في معادلة الكثافة (الحجم/الكتلة).
- تتخذ الغازات كثافة بمقدارِ ألف غرام لكل سنتيمتر مكعب، أما السوائل فإن كثافتها تقدر بـ 1.0 جم/ سم ³.
- تتخذ المعادن كثافةً مرتفعةً جدًا تتفاوت ما بين 6-7 جم/ سم ³.
- تساعد الكثافة في تحديد مدى قدرة الجسم على الطفو فوق المواد الأخرى، بحيث تطفو المواد ذات الكثافة الأقل فوق المواد ذات الكثافة المرتفعة.
تطبيقات الكثافة
تتعدد المجالات والاستخدامات العلمية التي يمكن بها الاعتماد على الكثافة، ومن أهمها:
- التوازن الأرضي (Isostasy): خاصيةٌ هامةٌ في كشف الستار عن الوضعية التي ستتخذها القارات العليا خلال تواجدها فوق دثار الأرض.
- علم المحيطات (Oceanography): تفسير ظاهرة التيارات المتعاقبة التي تشهدها المحيطات وتكرار حدوثها.
- منحنى الارتفاعات (The hypsometric curve): من أهم الأمور المساهمة في التعرفِ على التفاوت والاختلاف الملحوظ في مستوى المرتفعات فوق سطح الأرض.
- الصخور (Rocks): يهتم علماء الجيولوجيا بمعرفة كثافة الصخور للتمكن من تحديد تكوينها وتسميتها وتصنيفها.
- المعادن (Minerals): تلعب الكثافة دورًا هامًا في الكشف عن تصنيف المعدن وتسميته.
- الصفائح التكتونية (Plate tectonics): في هذا السياق توضح الكثافة أسباب تدافع الصفائح وحركتها بدقةٍ.
- مصابيح الحمم (Lava Lamps)، كما تعرف أيضًا باسم مصابيح حركة السوائل، تفسر الكيفية التي تتحرك بها نقاط النيران صعودًا ونزولًا بعدةِ أشكالٍ، وتتألف هذه المصابيح عادةً من وعاء ماءٍ عميقٍ يحتوي على سائلٍ زيتيٍّ عضويٍّ لا يمكن له الاختلاط بالماء، فتأتي مرحلةٌ أخرى لتصبح المادة الزيتية أكثر كثافةً من كثافة الماء في ظلِ درجة حرارة الغرفة، ولذلك فإنها تستقر في قاع الوعاء، وفي حال وجود مصدر للحرارة (تشغيل المصباح) فإن السائل سيبدأ بالارتفاع تدريجيًا نظرًا لتدني كثافته لأقل من الماء؛ فيطفو الزيت على وجه الماء.
قيم الكثافة للمواد
تتخذ بعض المواد في الطبيعة قيمًا ثابتةً للكثافة، ومن أهمها:
- الفولاذ: 7.82 جم/ سم³.
- الهواء: 0.0013 جم/ سم ³.
- الماء: 1.00 جم/ سم³.
- الذهب: 19.32 غرام/ سم ³.
- غاز الميثان: 0.72.
- الهيدروجين: 0.09
- الألمنيوم: 2.70.
- الليثيوم: 0.53
- السكر: 1.59
- كلوريد الصوديوم: 2.16
- الحديد: 7.9
العوامل المؤثرة بالكثافة
من المتعارف عليه أن كثافة أي مادةٍ أو جسمٍ عبارةٌ عن كتلةِ ذلك الجسم مقسومةً رياضيًا على الحجم، ويؤخذ بعين الاعتبار كل من درجات الحرارة والضغط المؤثر بالجسم، ومن أبرز العوامل المؤثرة نسبة تركيز الذرات وتماسكها في حجم المادة، ومن الممكن أن تكون المواد مؤلفةً من ذراتٍ لها وزنٌ ذريٌّ متدنيٌّ إلا أن لها كثافةً أكبر من المواد التي تمتلك وزنًا ذريًا عاليًا، ويعد ذلك مقترنًا على وجه الخصوص بالمواد الصلبة.
من أبرز الأمثلة على ذلك أن العدد الذري للقصدير هو 50، أما الوزن الذري فييساوي 118.7، أما المنغنيز فإن العدد الذري له 25، أما الوزن الذري له فيساوي 54.9، وبناءًا عليه فإن كثافة القصدير أقل من كثافة المنغنيز؛ فالأول يساوي 7.31 جم/ سم ³، بينما الأخير يساوي 7.43 جم/ سم³.
حساب الكثافة
- لحساب كثافة 25 غرام من الملح المذاب في 250 مل من الماء، لا بد من اتباع مايلي:
- حساب كتلة الماء أولًا.
- حساب كتلة الملح.
كتلة الماء = 1 غرام × 250 مل = 250 غرام.
الكتلة الإجمالية = كتلة الملح + كتلة الماء = 25 جم + 250 جم = 275 غرام.
- من الممكن حساب الكتلة بالاعتمادِ على توفر معطيات الكثافة والحجم، فعلى سبيل المثال عند الحاجة إلى حساب كتلة الميثانول (بحجم 30.0 مل، وبكثافة 0.790 جم/ مل)، ويتم تطبيق ما تقدم على المعادلة:
الكتلة (Mass) = الحجم × الكثافة = 30 × 0.790 جم/ مل = 23.7 جم.