كثافة

الكثافة ( كثافة الكتلة الحجمية أو الكتلة النوعية ) هي نسبة كتلة المادة إلى حجمها . الرمز الأكثر استخدامًا للكثافة هو ρ ( الحرف اليوناني الصغير رو )، على الرغم من أنه يمكن أيضًا استخدام الحرف اللاتيني D (أو d ): ^{[ 1 ]}$${\displaystyle \rho ={\frac {m}{V}},}$$ حيث ρ هي الكثافة، و m هي الكتلة، و V هو الحجم. في بعض الحالات (على سبيل المثال، في صناعة النفط والغاز في الولايات المتحدة)، تُعرَّف الكثافة بشكل عام بأنها وزن المادة لكل وحدة حجم ، ^{[ 2 ]} على الرغم من أن هذا التعريف غير دقيق علميًا - وتُسمى هذه الكمية تحديدًا بالوزن النوعي . 

بالنسبة للمادة النقية، تتساوى الكثافة مع تركيز كتلتها . عادةً ما تختلف كثافة المواد المختلفة، وقد تكون الكثافة ذات صلة بالطفو والنقاء والتعبئة والتغليف . الأوزميوم هو العنصر الأكثر كثافة المعروف في الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط .

لتبسيط مقارنة الكثافة بين أنظمة الوحدات المختلفة، يُستبدل بها أحيانًا الكمية عديمة الأبعاد " الكثافة النسبية " أو " الوزن النوعي "، أي نسبة كثافة المادة إلى كثافة مادة قياسية، عادةً الماء. وبالتالي، فإن الكثافة النسبية الأقل من واحد بالنسبة للماء تعني أن المادة تطفو في الماء.

تتغير كثافة المادة بتغير درجة الحرارة والضغط. يكون هذا التغير طفيفًا عادةً في المواد الصلبة والسائلة، ولكنه أكبر بكثير في الغازات. يؤدي رفع الضغط على جسم ما إلى تقليل حجمه، وبالتالي زيادة كثافته. أما رفع درجة حرارة مادة ما مع الحفاظ على ضغط ثابت، فيؤدي إلى تقليل كثافتها بزيادة حجمها (باستثناءات قليلة). في معظم السوائل، يؤدي تسخين الجزء السفلي منها إلى حدوث تيارات الحمل الحراري نتيجة انخفاض كثافة السائل المسخن، مما يجعله يرتفع مقارنةً بالمادة غير المسخنة الأكثر كثافة.

يُطلق على مقلوب كثافة المادة أحيانًا اسم حجمها النوعي ، وهو مصطلح يُستخدم أحيانًا في الديناميكا الحرارية . الكثافة خاصية مكثفة ، إذ أن زيادة كمية المادة لا تزيد من كثافتها، بل تزيد من كتلتها.

وتشمل الكميات أو النسب الأخرى القابلة للمقارنة من الناحية المفاهيمية الكثافة النوعية ، والكثافة النسبية (الوزن النوعي) ، والوزن النوعي .

تم تعميم مفهوم كثافة الكتلة في النظام الدولي للكميات ليشمل الكميات الحجمية ، وهو ناتج قسمة أي كمية فيزيائية على الحجم، ^{[ 3 ]} مثل كثافة الشحنة أو الشحنة الكهربائية الحجمية . ^{[ 4 ]}

انطلاقًا من معادلة الكثافة ( ρ = m / V )، فإن كثافة الكتلة تُقاس بأي وحدة ناتجة عن قسمة الكتلة على الحجم . ونظرًا لتعدد وحدات الكتلة والحجم التي تغطي نطاقًا واسعًا من المقادير ، فإن عدد وحدات كثافة الكتلة المستخدمة كبير. ولعلّ وحدة النظام الدولي للوحدات (SI) وهي الكيلوغرام لكل متر مكعب (kg/m³ ⁾ ووحدة النظام السنتيمتري-غرام -ثانية (cgs ) وهي الغرام لكل سنتيمتر مكعب (g/cm³ ⁾ هما الأكثر شيوعًا لقياس الكثافة. أما في المجال الصناعي، فغالبًا ما تكون وحدات الكتلة أو الحجم الأكبر أو الأصغر حجمًا أكثر عملية، وقد تُستخدم الوحدات الأمريكية التقليدية . انظر أدناه للاطلاع على قائمة ببعض وحدات الكثافة الأكثر شيوعًا.

جميع الكثافات باستخدام الوحدات المترية التالية لها نفس القيمة العددية تمامًا، وهي جزء من ألف من القيمة بالكيلوجرام/متر ^مكعب . تبلغ كثافة الماء  السائل حوالي 1 جم/سم ^مكعب أو 1000  كجم/متر ^مكعب ، مما يجعل أيًا من وحدات النظام الدولي للوحدات هذه ملائمة عدديًا للاستخدام، حيث أن معظم المواد الصلبة والسائلة لها كثافات تتراوح بين 0.1 و20 جم/سم ^مكعب . 

• غرام لكل سنتيمتر مكعب (جم/ ^سم³ )
• كيلوغرام لكل ديسيمتر مكعب (كجم/ديسيمتر ^مكعب )
• ميجاجرام لكل متر مكعب (Mg/ ^m3 )

تشمل الوحدات التي تستخدم وحدات اللتر والطن المتري (الطن المتري)، والتي لا تُعد جزءًا من النظام الدولي للوحدات (SI ):

• غرام لكل ملليلتر (غ/مل)
• كيلوغرام لكل لتر (كجم/لتر)
• طن لكل متر مكعب (طن/ ^م³ )

في وحدات القياس الأمريكية المعتادة، يمكن التعبير عن الكثافة بما يلي:

• أونصة أفواردوبوا لكل بوصة مكعبة (1  جم/سم ³ ≈ 0.578036672  أونصة/بوصة مكعبة  )
• أونصة أفواردوبوا لكل أونصة سائلة (1  جم/سم ³ ≈ 1.04317556  أونصة/ أونصة  سائلة أمريكية  = 1.04317556  رطل/  باينت سائل أمريكي)
• Avoirdupois رطل لكل بوصة مكعبة (1  جم/سم ³ ≈ 0.036127292  رطل/بوصة مكعبة  )
• رطل لكل قدم مكعب (1  جم/سم ³ ≈ 62.427961  رطل/  قدم مكعب)
• رطل لكل ياردة مكعبة (1  جم/سم ³ ≈ 1685.5549  رطل/  ياردة مكعبة)
• رطل لكل جالون سائل أمريكي (1  جم/سم ³ ≈ 8.34540445  رطل/جالون أمريكي)
• رطل لكل بوشل أمريكي (1  جم/سم ³ ≈ 77.6888513  رطل/بوشل)
• وحدة قياس حجم الرصاصة لكل قدم مكعب

نادرًا ما تُستخدم الوحدات الإمبراطورية المختلفة عن المذكورة أعلاه (مثل اختلاف الغالون والبوشل الإمبراطوريين عن الوحدات الأمريكية) عمليًا، على الرغم من وجودها في وثائق قديمة. استند الغالون الإمبراطوري إلى فكرة أن أونصة الماء السائلة الإمبراطورية تعادل كتلة أونصة أفوردوبوا واحدة، وبالفعل فإن 1  غ/سم³ ^≈ 1.00224129 أونصة لكل أونصة سائلة إمبراطورية = 10.0224129 رطل لكل غالون إمبراطوري. من الممكن نظريًا أن تُبنى كثافة المعادن الثمينة على أونصة تروي ورطلها، وهو ما قد يُسبب بعض الالتباس.

يمكن حساب كثافة المادة البلورية من كتلتها الجزيئية ( بالدالتون ) وحجم وحدة الخلية . دالتون واحد لكل أنغستروم مكعب يساوي كثافة 100 دالتون .1.660 539 068 92 (52)  جم/سم ³ ، بناءً على القيمة الموصى بها من قبل CODATA لعام 2022 للدالتون. ^{[ 11 ]}

توجد العديد من التقنيات والمعايير لقياس كثافة المواد. تشمل هذه التقنيات استخدام الهيدرومتر ( طريقة تعتمد على الطفو للسوائل)، والوزن الهيدروستاتيكي (طريقة تعتمد على الطفو للسوائل والمواد الصلبة)، وطريقة الجسم المغمور (طريقة تعتمد على الطفو للسوائل)، والبيكنومتر (للسوائل والمواد الصلبة)، والبيكنومتر المقارن بالهواء (للمواد الصلبة)، وأنبوب U المتذبذب (للسوائل)، بالإضافة إلى طريقة الصب والطرق (للمواد الصلبة). ^{[ 12 ]} مع ذلك، تقيس كل طريقة أو تقنية أنواعًا مختلفة من الكثافة (مثل الكثافة الظاهرية، والكثافة الهيكلية، وما إلى ذلك)، ولذلك من الضروري فهم نوع الكثافة المراد قياسها ونوع المادة المراد قياسها.

بشكل عام، يمكن تغيير الكثافة بتغيير الضغط أو درجة الحرارة . فزيادة الضغط تزيد كثافة المادة دائمًا. بينما تؤدي زيادة درجة الحرارة عمومًا إلى انخفاض الكثافة، إلا أن هناك استثناءات ملحوظة لهذه القاعدة. على سبيل المثال، تزداد كثافة الماء بين درجة انصهاره عند 0  درجة مئوية و4  درجات مئوية؛ ويُلاحظ سلوك مماثل في السيليكون عند درجات الحرارة المنخفضة.

تأثير الضغط ودرجة الحرارة على كثافة السوائل والمواد الصلبة ضئيل. تبلغ قابلية انضغاط السوائل والمواد الصلبة النموذجية 10⁻⁶ ^بار⁻¹ ( 1 بار = 0.1 ميجا باسكال ^{) ، ومعامل} التمدد الحراري النموذجي 10⁻⁵ كلفن⁻¹ . وهذا يعني تقريبًا الحاجة إلى ضغط يعادل ^عشرة آلاف ضعف الضغط الجوي لتقليل حجم المادة بنسبة واحد بالمئة. (مع العلم أن الضغوط اللازمة قد تكون أقل بألف مرة تقريبًا بالنسبة للتربة الرملية وبعض أنواع الطين). ويتطلب تمدد الحجم بنسبة واحد بالمئة عادةً ارتفاعًا في درجة الحرارة يصل إلى آلاف الدرجات المئوية .    

على النقيض من ذلك، تتأثر كثافة الغازات بشدة بالضغط. كثافة الغاز المثالي هي $${\displaystyle \rho ={\frac {MP}{RT}},}$$ حيث M هي الكتلة المولية ، وP هو الضغط، وR هو ثابت الغازات العام ، و T هي درجة الحرارة المطلقة . هذا يعني أنه يمكن مضاعفة كثافة الغاز المثالي بمضاعفة الضغط، أو بخفض درجة الحرارة المطلقة إلى النصف.

في حالة التمدد الحراري الحجمي عند ضغط ثابت وفترات صغيرة من درجة الحرارة، يكون اعتماد الكثافة على درجة الحرارة كما يلي: $${\displaystyle \rho ={\frac {\rho _{T_{0}}}{1+\alpha \cdot \Delta T}},}$$ أين${\displaystyle \rho _{T_{0}}}$هي الكثافة عند درجة حرارة مرجعية،${\displaystyle \alpha }$يمثل معامل التمدد الحراري للمادة عند درجات حرارة قريبة من${\displaystyle T_{0}}$.

كثافة المحلول هي مجموع تركيزات الكتلة (الكتلية) لمكونات ذلك المحلول.

التركيز الكتلي لكل مكون معين${\displaystyle \rho _{i}}$مجموع قيم المحلول يساوي كثافة المحلول. $${\displaystyle \rho =\sum _{i}\rho _{i}.}$$

وباعتبارها دالة لكثافات المكونات النقية للخليط ومشاركتها الحجمية ، فإنها تسمح بتحديد الأحجام المولية الزائدة : $${\displaystyle \rho =\sum _{i}\rho _{i}{\frac {V_{i}}{V}}\,=\sum _{i}\rho _{i}\varphi _{i}=\sum _{i}\rho _{i}{\frac {V_{i}}{\sum _{i}V_{i}+\sum _{i}{V^{E}}_{i}}},}$$ بشرط عدم وجود تفاعل بين المكونات.

بمعرفة العلاقة بين الأحجام الزائدة ومعاملات نشاط المكونات، يمكن تحديد معاملات النشاط: $${\displaystyle {\overline {V^{E}}}_{i}=RT{\frac {\partial \ln \gamma _{i}}{\partial P}}.}$$

يوصى باستخدام مصطلح "حجمي" في النظام الدولي للكميات ( ISO 80000-1 ) للدلالة على ناتج قسمة أي كمية فيزيائية على حجمها. ^{[ 3 ]} كما تُستخدم عبارات "لكل وحدة حجم" أو "الحجم ... الكثافة" (أو ببساطة "الكثافة") بشكل شائع، مع وحدات ناتجة تتضمن مقلوب المتر المكعب (م⁻³ ⁾ ، على سبيل المثال:

• الكثافة الكتلية أو الكتلة الحجمية ^{[ 3 ] [ 31 ]}
• كثافة الشحنة أو الشحنة الكهربائية الحجمية، الشحنة الكهربائية لكل وحدة حجم ^{[ 3 ] [ 4 ]}
• الكثافة العددية أو العدد الحجمي، عدد الكيانات لكل وحدة حجم ^{[ 3 ]}
• كثافة النشاط أو النشاط الحجمي ^{[ 32 ]}
• كثافة الطاقة ، طاقة الوضع لكل وحدة حجم
• كثافة القوة ، القوة لكل وحدة حجم
• كثافة الطاقة ، الطاقة لكل وحدة حجم

• "الكثافة"  . الموسوعة البريطانية . المجلد 8 ( الطبعة الحادية عشرة). 1911.
• "الكثافة"  . مرجع الطالب الجديد  . 1914.
• فيديو: تجربة الكثافة باستخدام الزيت والكحول
• فيديو: تجربة الكثافة باستخدام الويسكي والماء
• حساب كثافة الزجاج – حساب كثافة الزجاج في درجة حرارة الغرفة وكثافة مصهور الزجاج عند درجات حرارة تتراوح بين 1000 و 1400 درجة مئوية
• قائمة عناصر الجدول الدوري - مرتبة حسب الكثافة
• حساب كثافة السوائل المشبعة لبعض المكونات
• اختبار كثافة الحقل، مؤرشف بتاريخ 15 ديسمبر 2010، في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• الماء – الكثافة والوزن النوعي
• اعتماد كثافة الماء على درجة الحرارة – تحويل وحدات الكثافة
• تجربة كثافة لذيذة. مؤرشفة في 18 يوليو 2015 على موقع Wayback Machine.
• حاسبة كثافة الماء مؤرشفة في 13 يوليو 2011، في Wayback Machine. كثافة الماء لملوحة ودرجة حرارة معينة.
• حاسبة كثافة السوائل: اختر سائلاً من القائمة واحسب الكثافة كدالة لدرجة الحرارة.
• حاسبة كثافة الغاز: احسب كثافة الغاز كدالة لدرجة الحرارة والضغط.
• كثافات المواد المختلفة.
• تحديد كثافة المواد الصلبة مؤرشفة في 4 يونيو 2013، في Wayback Machine ، تعليمات لإجراء تجربة صفية.
• لام إي جيه، ألفاريز إم إن، غالفيز إم إي، ألفاريز إي بي (2008). "نموذج لحساب كثافة محاليل الإلكتروليت المائية متعددة المكونات" . مجلة الجمعية الكيميائية التشيلية . 53 (1): 1393-1398 . doi : 10.4067/S0717-97072008000100015 .
• رادوفيتش آي آر، كيجيفتشانين إم إل، تاسيتش آي، دجوردجيفيتش بي دي، سيربانوفيتش إس بي (2010). “الخصائص الديناميكية الحرارية المشتقة من الكحول + مخاليط سيكلوهكسيلامين”. مجلة الجمعية الكيميائية الصربية . 75 (2): 283-293 . سيتيسيركس 10.1.1.424.3486 . دوى : 10.2298/JSC1002283R .