چگالی، وزن مخصوص و گرانش مخصوص

تفاوت چگالی و وزن مخصوص

در اندازه‌گیری‌های فیزیکی مواد، همواره به عباراتی چون وزن مخصوص، چگالی (دانسیته) و گرانش مخصوص (چگالی نسبی) برمی‌خوریم. این اصطلاحات با وجود شباهت‌های زیاد، دارای تفاوت‌های اساسی نیز هستند.

به طور کلی هنگامی که جرم و حجم مواد مورد بررسی قرار می‌گیرد، بایستی از نسبت‌های کمّی مختلفی استفاده کنیم، که در حالت عادی ممکن است تا حدودی مبهم و گنگ باشند. به همین خاطر در ادامه‌ی این مطلب به تعریف و نحوه‌ی محاسبه‌ی ریاضیاتی هرکدام از نسبت‌های وزنی و حجمی برای اجسام و مواد مختلف و همچنین بیان تفاوت‌های آن‌ها می‌پردازیم.

چگالی (دانسیته)

چگالی، که با نام‌های دیگری چون جرم مخصوص، چگالی جرم حجمی و دانسیته شناخته می‌شود، عبارت از نسبت جرم بر حجم مواد است.

چگالی را معمولاً با علامت های اختصاری ρ (از حروف یونانی با تلفظ “رو”) و گاهی با نماد D (حرف اول عبارت Density یا دانسیته به معنای چگالی) نشان می‌دهند. جهت محاسبه‌ی چگالی یک ماده، از رابطه‌‌ی ریاضیاتی زیر استفاده می‌شود:

ρ=m/V

که در رابطه‌ی فوق، ρ چگالی، m جرم ماده و V حجم ماده‌ی مورد نظر است. در اندازه‌گیری جرم مخصوص مواد از یکاها یا واحدهای مختلفی استفاده می‌شود. دستگاه اندازه‌گیری بین‌المللی یکاها (SI) یک سیستم بین‌المللی استاندارد شده برای سنجش کمیت‌ها بر حسب یکاها است. یکای چگالی در سیستم SI معمولاً به صورت کیلوگرم (یکای جرم) بر متر مکعب (یکای حجم) و یا گرم بر سانتی‌متر مکعب (cc) می‌باشد.

چگالی مواد وابسته به دما و فشار است و با تغییر هرکدام از این‌ها، چگالی نیز تغییر می‌کند. این تغییر معمولاً برای جامدات و مایعات چندان محسوس نیست، ولی در گازها میزان این تغییر بسیار زیاد می‌باشد. افزایش فشار بر روی یک جسم، منجر به کاهش حجم آن و در نتیجه افزایش دانسیته می‌شود. در مقابل، افزایش دمای ماده باعث افزایش حجم آن و بنابراین کاهش چگالی آن می‌شود.

عنصر اسمیم دارای بیشترین چگالی و وزن مخصوص در بین عناصر
عنصر اسمیم که دارای بیشترین چگالی در میان عناصر است.

اُسمیم و ایریدیم در وضعیت دما و فشار معیار، چگال‌ترین عناصر شناخته شده در جهان هستند. همچنین عناصر هیدروژن و هلیوم در بین تمام عناصر جدول تناوبی، با کمترین میزان چگالی یا جرم مخصوص در انتهای این رتبه‌بندی قرار می‌گیرند. طلا نیز هشتمین عنصر چگال جهان محسوب می‌شود.

چگالی ماده، با افزایش مقدار آن تغییر نمی‌کند، چرا که با تغییر مقدار یک ماده، جرم و حجم آن به یک نسبت تغییر می‌کند.

وزن مخصوص

وزن مخصوص که به آن وزن واحد نیز گفته می‌شود، عبارت از وزن یک ماده بر واحد حجم آن است.

وزن مخصوص را با علامت اختصاری γ (از حروف یونانی با تلفظ “گاما”) نشان می‌دهند. جهت محاسبه‌ی وزن مخصوص یک ماده، از رابطه‌‌ی ریاضیاتی زیر استفاده می‌شود:

γ= ρg

که در رابطه‌ی فوق، γ وزن مخصوص، ρ چگالی و g شتاب گرانش (شتاب استاندارد ناشی از گرانش) ماده‌ی مورد نظر است.

یکای استاندارد شتاب گرانش متر بر مجذور ثانیه (m/s2) و واحد اندازه‌گیری چگالی کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m3) می‌باشد. بنابراین یکای وزن مخصوص ( حاصل ضرب شتاب و چگالی) به صورت kg×m/m2×s2 نوشته می‌شود. از آنجایی که هر یک واحد kg×m/s2 در دستگاه بین‌المللی یکاها معادل یک “نیوتون” (یکای نیرو با علامت N) در نظر گرفته می‌شود، یکای وزن مخصوص نیز به صورت نیوتون بر متر مکعب (kg/m3) بیان می‌شود.

تفاوت جرم و وزن اجسام در زمین و دیگر سیارات
تفاوت جرم و وزن انسان بر روی زمین و ماه

وزن مخصوص برخلاف چگالی، یک خاصیت ثابت نیست. در واقع وزن مخصوص مواد متأثر از شتاب گرانش آنها است؛ بنابراین وزن مخصوص یک ماده بسته به مکان اندازه‌گیری، متغیر می‌باشد.

در نتیجه علاوه بر فشار و دما، وزن مخصوص یک ماده به موقعیت مکانی نیز وابسته است. به عنوان یک مثال، وزن مخصوص یک جسم بر روی سیاره‌ی زمین و کره‌ی ماه دو مقدار متفاوت خواهد بود.

گرانش مخصوص

گرانش مخصوص یا چگالی نسبی، به “نسبت چگالی (جرم بر واحد حجم) یک ماده بر چگالی یک ماده‌ی مرجع معین” گفته می‌شود.

گرانش مخصوص را با علامت SG نشان می‌دهند (مخفف Specific Gravity) و با توجه به اینکه از نسبت چگالی دو ماده حاصل می‌شود، یک کمیت بدون یکا است.

جهت محاسبه‌ی چگالی نسبی یک ماده، از رابطه‌‌ی ریاضیاتی زیر استفاده می‌شود:

SG= ρsamplerefrence

که در رابطه‌ی فوق، SG گرانش مخصوص، ρsample چگالی نمونه‌ی تحت آزمون و ρrefrence چگالی ماده‌ی مرجع است.

دستگاه اندازه گیری شتاب گرانش و چگالی مواد
دستگاه اندازه‌گیری شتاب گرانش و چگالی مواد

چگالی نسبی مایعات معمولاً نسبت به آب (H2O) در چگال‌ترین حالت آن (دمای ۴ درجه‌ی سانتی گراد یا ۳۹٫۲ درجه‌ی فارنهایت) سنجیده می‌شود. این کمیت برای گازها هوا با دمای اتاق اندازه‌گیری می‌شود (دمای قراردادی ۲۰ درجه‌ی سانتی گراد یا ۶۸ درجه‌ی فارنهایت را دمای اتاق می‌گویند).

در اندازه‌گیری شتاب گرانش، بایستی شرایط دما و فشار برای نمونه و مرجع یکسان و مشخص باشد. برای این آزمایش فشار هوا را تقریبا ۱ اتمسفر (۱۰۱٫۳۲۵ کیلوپاسکال) در نظر می‌گیرند و دمای هوا نیز بسته به صنعت و کاربرد آزمایش، متفاوت خواهد بود.

گرانش مخصوص در صنایع مختلف و به عنوان یک روش اندازه‌گیری ساده جهت به دست آوردن اطلاعات در مورد میزان تراکم مواد و محلول‌هایی  مانند اسیدها، محلول‌های قندی و محلول‌های نمکی مورد استفاده قرار می‌گرد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *