چگالی چیست؟ راهنمای جامع تعریف، فرمول و محاسبه دانسیته
چگالی، که گاهی به آن دانسیته هم گفته می‌شود، یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های فیزیکی مواد است. به زبان ساده، چگالی نشان می‌دهد که چه مقدار جرم در یک حجم مشخص از ماده وجود دارد. به عبارت دیگر، چگالی نسبت جرم به حجم است و معیاری است از فشردگی ماده در یک فضا.
فرض کنید دو جسم هم‌اندازه دارید؛ جسمی که چگالی بیشتری دارد، "سنگین‌تر" به نظر می‌رسد زیرا جرم بیشتری در همان حجم جای گرفته است. این مفهوم کلیدی، نخستین بار توسط دانشمند یونانی، ارشمیدس، کشف شد و با استفاده از یک فرمول ساده و آشنایی با واحدهای اندازه‌گیری مربوطه، به راحتی قابل محاسبه است. درک مفهوم چگالی در بسیاری از زمینه‌های علمی و صنعتی کاربرد دارد و به ما کمک می‌کند تا رفتار مواد مختلف را بهتر درک کنیم.
فرمول محاسبه چگالی
برای محاسبه چگالی یک جسم، کافیست جرم آن را بر حجمش تقسیم کنید. در واقع، چگالی (که معمولاً با حرف یونانی "ρ" نمایش داده می‌شود) از طریق فرمول زیر محاسبه می‌گردد:
ρ = m / v
در این فرمول:
- ρ: نشان‌دهنده چگالی است.
- m: نشان‌دهنده جرم جسم است.
- v: نشان‌دهنده حجم جسم است.
واحد استاندارد (SI) چگالی، کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m³) است. با این حال، در بسیاری از موارد، از واحد گرم بر سانتی‌متر مکعب (g/cm³) نیز استفاده می‌شود.
چگونه چگالی را پیدا کنیم؟ (محاسبه چگالی با مثال)
برای درک بهتر مفهوم چگالی، بیایید یک مثال عملی را با هم بررسی کنیم. فرض کنید یک آجر نمکی داریم که ابعاد آن 10.0 cm x 10.0 cm x 2.0 cm است و وزن آن 433 گرم می‌باشد. هدف ما محاسبه چگالی این آجر نمکی است.
همانطور که قبلاً اشاره شد، فرمول محاسبه چگالی به این صورت است:
ρ = m / v
در این مثال، ما ابعاد آجر را داریم، بنابراین ابتدا باید حجم آن را محاسبه کنیم. حجم یک جسم مکعبی شکل (مانند آجر) از طریق فرمول زیر به دست می‌آید:
v = طول x عرض x ارتفاع
v = 10.0 cm x 10.0 cm x 2.0 cm
v = 200.0 cm³
حالا که حجم و جرم آجر را می‌دانیم، می‌توانیم چگالی آن را محاسبه کنیم:
ρ = m / v
ρ = 433 g / 200.0 cm³
ρ = 2.165 g/cm³
بنابراین، چگالی این آجر نمکی برابر با 2.165 گرم بر سانتی‌متر مکعب است.
کاربردهای چگالی
چگالی در درک رفتار مواد و تعامل آن‌ها با یکدیگر کاربردهای فراوانی دارد. برای مثال، چرا چوب روی آب شناور می‌ماند، اما یک تکه فلز فرو می‌رود؟ پاسخ در تفاوت چگالی این مواد است. چوب چگالی کمتری نسبت به آب دارد، بنابراین روی سطح آب شناور می‌ماند. در مقابل، فلز چگالی بیشتری دارد و به همین دلیل در آب فرو می‌رود. همین اصل در مورد بالن‌های پر از هلیوم نیز صادق است؛ هلیوم چگالی کمتری نسبت به هوا دارد و باعث می‌شود بالن به سمت بالا حرکت کند.
یکی دیگر از کاربردهای مهم چگالی، تعیین کیفیت و وضعیت مایعات است. در تعمیرگاه‌های خودرو، برای بررسی کیفیت روغن گیربکس، از دستگاهی به نام هیدرومتر استفاده می‌شود. این دستگاه با اندازه‌گیری چگالی روغن، نشان می‌دهد که آیا نیاز به تعویض روغن وجود دارد یا خیر.
همچنین، اگر چگالی یک ماده مشخص باشد، می‌توان با استفاده از فرمول چگالی، جرم یا حجم آن را محاسبه کرد. فرمول‌های زیر برای این منظور قابل استفاده هستند:
حجم * چگالی = جرم
جرم / چگالی = حجم
تغییرات چگالی نیز می‌توانند اطلاعات مفیدی در اختیار ما قرار دهند. به عنوان مثال، در باتری‌های اسیدی، با تخلیه باتری، اسید موجود در آن با سرب واکنش می‌دهد و یک ماده جدید تولید می‌کند. این واکنش منجر به کاهش چگالی محلول اسیدی می‌شود. با اندازه‌گیری این کاهش چگالی، می‌توان میزان شارژ باقی‌مانده در باتری را تخمین زد.
به طور کلی، چگالی یک مفهوم اساسی در بسیاری از شاخه‌های علوم و مهندسی از جمله مکانیک سیالات، هواشناسی، زمین‌شناسی، علم مواد و مهندسی است.
وزن مخصوص (چگالی نسبی)
مفهومی مرتبط با چگالی، "وزن مخصوص" یا "چگالی نسبی" است. وزن مخصوص، نسبت چگالی یک ماده به چگالی آب است. به عبارت دیگر، نشان می‌دهد که یک ماده نسبت به آب چقدر چگال‌تر یا رقیق‌تر است.
اگر وزن مخصوص یک جسم کمتر از یک باشد، آن جسم روی آب شناور می‌ماند. در صورتی که وزن مخصوص آن بیشتر از یک باشد، در آب فرو خواهد رفت. این اصل به خوبی علت شناور شدن یک بالن پر از هوای گرم را توضیح می‌دهد. هوای گرم داخل بالن چگالی کمتری نسبت به هوای اطراف دارد، در نتیجه وزن مخصوص آن کمتر از یک است و بالن به سمت بالا حرکت می‌کند.
- فیزیک
- علم
