تحقیق در مورد چگالی کلاس هفتم

تحقیق در مورد چگالی

چگالی یکی از مهم ترین و قابل اندازه گیری ترین ویژگی های فیزیکی یک جسم است. چگالی به طور گسترده ای برای شناسایی مواد خالص و توصیف و تخمین ترکیب بسیاری از انواع مخلوط ها استفاده می شود. هدف از این تحقیق این است که نشان دهد چگالی چگونه تعریف، اندازه گیری و استفاده می شود. همچنین کمک می کند کاربرد و نقش هایی که چگالی در زندگی ما و محیط ایفا می کند را درک کنیم.

چگالی چیست

ما مدت‌هاست که درک کرده‌ایم که «روغن سبک ‌تر از آب است» یا اینکه آهن «سنگین ‌تر» از شکر است. اما در بیان چنین مثال هایی ما به طور ضمنی حجم مساوی این مواد را با هم مقایسه می کنیم که درست نیست. در واقع جرم و حجم معیارهای کمی یک ماده هستند که خواص ماده را تعریف می کنند. بنابراین می توان گفت معنای کلی چگالی مقدار هر چیزی در واحد حجم است و یکی از خواص اساسی ماده است که به عنوان مقدار جرم موجود در واحد حجم تعریف می ‌شود.

به زبان ساده تر چگالی به ما می گوید که یک ماده چقدر متراکم است و چه میزان از یک ماده در یک فضای مشخص وجود دارد. هرچقدر که یک ماده در حجم یکسان چگالی بالاتری داشته باشد، آن ماده جرم بیشتری دارد.

فرمول چگالی

ρ = m / V

 m = جرم معمولاً بر حسب گرم یا کیلوگرم

 V = حجم معمولاً بر حسب سانتی‌متر مکعب یا متر مکعب

تفاوت چگالی و جرم چیست

جرم مقدار ماده ای است که در یک جامد یا مایع وجود دارد در حالی که چگالی بیانگر مقدار جرمی است که در یک حجم معین وجود دارد. به عنوان مثال، 10 کیلوگرم فولاد و 10 کیلوگرم پر دارای جرم یکسان هستند، اما حجم های متفاوتی دارند، بنابراین چگالی آنها نیز متفاوت است.

اهمیت چگالی در علم فیزیک

چگالی در فیزیک مهم است زیرا به توضیح پدیده هایی مانند شناوری، فشار و انبساط حرارتی کمک می کند. چگالی یک مفهوم اساسی در فیزیک است به عنوان مثال، اصل شناوری که توضیح می دهد چرا اجسام در مایعات شناور یا فرو می روند، مستقیماً با چگالی مرتبط است. یک جسم اگر چگالی کمتری از مایعات داشته باشد شناور می شود و اگر چگالی آن بیشتر باشد غرق می شود.

علاوه بر این نیز چگالی نقش مهمی در درک فشار دارد به این صورت که در مایعات به دلیل وزن بالای مایع، فشار با عمق افزایش می یابد. به همین دلیل است که غواصان در اعماق دریا فشار بالایی را تجربه می کنند و به طور مشابه، تراکم جو با افزایش ارتفاع کاهش می یابد، به همین دلیل است که کوهنوردان اغلب به اکسیژن بیشتری نیاز دارند. علاوه بر این، چگالی نیز در درک انتشار موج مهم است. برای مثال سرعت صوت به چگالی محیطی که صدا از آنجا عبور می کند وابسته است. صدا در جامدات سریعتر از مایعات و در مایعات سریعتر از گازها حرکت می کند، زیرا جامدات از مایعات و مایعات از گازها چگالتر هستند.

چه عواملی بر میزان چگالی ماده تاثیر می گذارد

اولین عامل تاثیرگذار در چگالی مواد دما است. افزایش دما با ایجاد فاصله بین مولکول های تشکیل دهنده ماده باعث کاهش چگالی آن ماده می شود. در واقع می توان گفت همه مواد با گرم شدن تمایل به انبساط دارند که باعث می شود که  با داشتن جرم یکسان حجم بیشتری را اشغال کنند در نتیجه این امر چگالی کاهش پیدا می کند.

برای اکثر جامدات، این انبساط نسبتاً کوچک و بسیار ناچیز است و برای مایعات بیشتر است. همانطور که قبلاً گفته شد حجم گازها به دما بسیار حساس است و البته چگالی آنها نیز تحت تاثیر قرار می گیرد. انبساط حرارتی نیز در واقع زمانی اتفاق می افتد که مولکول ها انرژی گرمایی را به دست می آورند و با شدت بیشتری حرکت می کنند. در فازهای متراکم (مایعات و جامدات)، این حرکت نوعی ضربه یا تکان خوردن نامنظم است که باعث می شود فاصله متوسط ​​بین مولکول ها افزایش یابد و در نتیجه منجر به افزایش حجم و کاهش چگالی می شود.

دومین عامل تاثیرگذار فشار است زیرا زمانی که فشار افزایش پیدا می کند به دلیل متراکم شدن مولکول های تشکیل دهنده ماده، چگالی نیز افزایش پیدا می کند. سومین عامل تاثیر گذار نیز ساختار مولکولی ماده است که هرچقدر این ساختار مولکولی متراکم تر و فشرده تر باشد چگالی آن ماده نیز بیشتر خواهد بود.

مفهوم چگالی در مورد مایعات، گازها و جامدات

به طور کلی گازها کمترین چگالی را در بین سایر حالات یک ماده دارند. اما این چگالی به فشار و دما بستگی دارد که همیشه باید مدنظر قرار داده شود. به عنوان مثال تا زمانی که یک گاز به صورت نرمال فشار کم و دمای بالا داشته باشد چگالی آن مستقیماً با جرم اتم های تشکیل دهنده آن و در نتیجه با وزن مولکولی آن متناسب است. در واقع می توان گفت اندازه گیری چگالی گاز یک آزمایش ساده برای تخمین وزن مولکولی آن است.

در مورد مایعات مقدار چگالی تا حد زیادی به دما بستگی دارد و در واقع فشار تاثیر زیادی بر روی آن ندارد. بنابراین چگالی مایعات بسته به فشار و دما متفاوت خواهد بود. اگر یک مایع گرم شود، جرم آن ثابت می ماند اما حجم آن افزایش می یابد. این بدین معنا است که چگالی آن کاهش می یابد و اگر یک مایع فشرده شود جرم آن ثابت می ماند اما حجم آن کاهش می یابد و در نتیجه چگالی آن افزایش پیدا می کند.

چگالی جامدات بسیار گسترده است. فلزات، که اتم‌ های آنها به صورت کاملاً فشرده در کنار هم قرار می‌ گیرند، دارای بالاترین میزان چگالی هستند. اگرچه چگالی لیتیوم به عنوان سبک ترین عنصر فلزی، بسیار کم است. اما مواد کامپوزیتی مانند چوب و فوم پلی یورتان با چگالی بالا حاوی فضاهای خالی هستند که چگالی متوسط ​​را کاهش می دهند.

روش های اندازه گیری چگالی

از آنجایی که چگالی و جرم به هم مرتبط هستند، می توانید جرم مقدار معینی از یک ماده را به راحتی محاسبه کنید، مشروط بر اینکه چگالی و حجم آن ماده را بدانید. بنابراین آشنایی با روش های اندازه گیری چگالی می تواند در مهندسی و سایر موارد محاسباتی مفید باشد. روش های مختلفی برای اندازه گیری چگالی وجود دارد که البته ابتدا باید جرم و حجم آن ماده را بطور دقیق اندازه گیری کرده باشید، این روش ها عبارتند از:

روش جابجایی آب

از روش جابجایی آب برای اندازه‌گیری چگالی جامدات استفاده می شود که اغلب با استفاده از یک استوانه مدرج انجام می شود و سپس از طریق اندازه‌ گیری حجم آب جابجا شده توسط جسم، حجم آن ماده به دست می آید. در این روش اندازه گیری چگالی از آب استفاده می شود زیرا به راحتی قابل دسترسی است و غیر سمی است و مهمتر از همه اینکه چگالی آن مشخص است (1 گرم بر سانتی متر مکعب در دمای 4 درجه سانتی گراد) و خاصیت جابجایی حجم آن هنگام غوطه ور شدن یک جسم، کمک می کند محاسبه حجم یک جسم به آسانی انجام شود.

روش هیدرومتر

هیدرومتر یک لوله شیشه ای است که با اندازه گیری چگالی یک مایع، اطلاعات ارزشمندی به ما ارائه می دهد. انواع مختلفی از هیدرومترها برای اهداف خاص طراحی شده است. هیدرومتر یا آب سنج شیشه ای استاندارد اغلب برای اندازه گیری چگالی مواد شیمیایی، محلول های تصفیه آب و سایر مایعات صنعتی و در واقع برای اندازه گیری چگالی مایعات به کار برده می شود زیرا بر اساس اصل شناوری کار می کند.

روش پیکنومتر

پیکنومتر یک ظرف شیشه ای است که برای اندازه گیری چگالی وزنی استفاده می شود و اغلب به عنوان بهترین و دقیق ترین روش برای تعیین میزان چگالی مایعات و جامدات مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش پیکنومتر از طریق تغییرات فرکانس ارتعاشی یک لوله شیشه ای پر از ماده می تواند بطور دقیق چگالی آن ماده را مشخص کند.

راهنمای گام به گام اندازه گیری چگالی

برای اندازه گیری چگالی ابتدا باید جرم ماده را مشخص کنید که برای این کار می توانید از ترازو استفاده نمایید. سپس لازم است حجم ماده را مشخص کنید به این صورت که با اندازه گیری ابعاد آن، در صورتی که جسم دارای یک شکل منظم باشد، می توانید حجم آن ماده را بدست آورید. برای اشکال نامنظم نیز می توانید از روش جابجایی در مایع استفاده کنید، که در آن حجم مایع جابجا شده با حجم جسم برابر است.

در نهایت پس از اینکه جرم و حجم ماده را بدست آوردید، چگالی را از طریق تقسیم جرم جسم بر حجم آن می توانید بدست آورید. دقت اندازه گیری چگالی به شدت به ابزاری که استفاده می کنید بستگی دارد. برای اندازه گیری دقیق باید بتوانید از ابزار زیر استفاده کنید:

ترازو: برای اندازه گیری جرم جسم که البته ترازوهای الکترونیکی معمولاً نتایج دقیق تری ارائه می دهند.

خط کش یا نوار اندازه گیری: برای اندازه گیری ابعاد اجسام منظم که در واقع برای تعیین حجم آنها استفاده می شود.

استوانه مدرج: برای اندازه گیری حجم از طریق جابجایی آب برای اجسام با شکل نامنظم به کار برده می شود.

 آب سنج یا هیدرومتر: به عنوان یک ابزار تخصصی بسته به چگالی مایع در سطوح مختلف شناور کاربرد دارد.

اهمیت چگالی و تاثیر آن بر حوزه های مختلف

چگالی چیزی بیش از یک ویژگی فیزیکی ماده است. با اندازه‌ گیری چگالی، می‌توانید ویژگی‌های اساسی در مورد مواد، اجسام و حتی پدیده‌ های مقیاس بزرگ مانند اجسام سیاره‌ای یا ستارگان را کشف کنید. چگالی در واقع یک مفهوم کلیدی نه تنها در فیزیک، بلکه در شیمی، زیست شناسی، زمین شناسی و نجوم است. حتی در بسیاری از صنایع مانند مهندسی، هوانوردی، ساخت و ساز و غذا و نوشیدنی نیز نقش مهمی ایفا می کند.

 در زیست شناسی، مفهوم تراکم سلولی در بررسی رشد و درک رفتار سلول ها در محیط های مختلف بسیار مهم است. به علاوه، هر کسی که روغن و سرکه را جداگانه در یک بطری حاوی سس سالاد ببیند تراکم را در عمل مشاهده کرده است.

در شیمی، درک معیارهای چگالی به پیش بینی چگونگی واکنش مواد با یکدیگر کمک می کند. مانند پیش بینی اینکه آیا یک ماده جامد بر اساس چگالی آن در یک مایع شناور می شود یا فرو می رود. دانشجویان زمین‌شناسی که پوسته زمین را مطالعه می‌کنند، می‌توانند بفهمند که چگونه چگالی‌های مختلف لایه‌های سنگ و ماگما می‌تواند منجر به پدیده‌هایی مانند زلزله و فوران‌های آتشفشانی شود. و در علم نجوم نیز اندازه‌ گیری چگالی می ‌تواند سرنخ‌های مهمی در مطالعه ستاره ها و سیاره ها و سایر اجسام فضایی در اختیار دانشمندان قرار دهد.

از چگالی در چه زمینه هایی استفاده می شود

شناوری

اگر چگالی جسم کمتر از چگالی آب باشد، شناور می شود. اگر چگالی آن بیشتر از چگالی آب باشد غرق می شود. کشتی ها می توانند شناور شوند زیرا دارای مخازن هایی هستند که هوا را در خود نگه می دارند. همراه با نیروی شناوری که آب به کشتی وارد می کند، این چگالی کاهش یافته کشتی را قادر می سازد تا شناور بماند. در واقع زیردریایی ها با تخلیه مخازن خود می توانند شناور بمانند. اصل شناوری برای طراحی کشتی ها، زیردریایی ها و بالن ها در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد.

سیستم لوله کشی

مهندسان هنگام طراحی سدها و پروژه های لوله کشی در مقیاس بزرگ بر معادله برنولی تکیه می کنند. به این صورت که چگالی مایعات بر سرعت، فشار و حتی ارتفاع مایع تأثیر می گذارد. در صورت مساوی بودن، مایع با چگالی بیشتر از طریق لوله ای با فشار، سرعت یا ارتفاع کمتر جریان می یابد.

جداسازی مواد

از چگالی می توان در صنایع مختلف مانند صنعت بازیافت برای جداسازی مواد استفاده کرد. به عنوان مثال می توان از آن برای جداسازی انواع پلاستیک استفاده کرد.

پزشکی

از چگالی همچنین می توان در صنعت پزشکی برای تشخیص برخی از بیماری ها مانند پوکی استخوان استفاده کرد زیرا با تشخیص چگالی استخوان این بیماری قابل شناسایی است.

بیشتر بخوانید:

چشمه چگونه تشکیل می شود کلاس سوم