الكثافه

الكثافة , أو بمعنى تانى هيا كتلة وحدة الحجوم من المادة  او هى كثافة الكتلة الحجمية , و نعبر عنها فى قوانين الفيزياء بالرمز ρ . وبلغة الرياضة الكثافة هيا ناتج قسمة الكتلة (mass) على الحجم (volume):

 ,

علاقة طردية بين الكتلة و الكثافة(زيادة الكتلة بتزيد الكثافة ),علاقة عكسية بين الكثافة و الحجم ( زيادة الحجم بتقل الكثافة ).

وبما ان الكتلة تقاس ب الكيلوجرام و الحجم بالمتر المكعب سوف تكون الوحدة اللى تعبر عن الكثافة هى كجم/م3. كثافة اى مادة بتتغير باختلاف درجة الحرارة و الضغط . التغير دا بيبقى صغير فى المواد الصلبة والسوائل , لكن بيبقى كبير جدا فى الغازات.
بزيادة الضغط بيقل الحجم وبالتالى بتزيد الكثافة , وبزيادة درجة الحرارة ( مع وجود اثتثناءات بسيطة) بيزيد حجم المادة وبالتالى بتقل كثافة المادة دى . فى معظم المواد , تسخين الجزء السفلى من سائل بيتسبب فى ما يسمى بموجات الحمل الحرارى و دى بتكون من القاع للسطح . ونتيجة لقلة كثافة القاع المتسخن بيطلع للسطح و السطح الى كثافته عاليه بينزل لتحت ويسخن ويتصاعد وهكذا . ومن ابسط الأمثلة براد الشاى ( غليان الماء )

قياس الكثافة

للمواد المتجانسة او المادة الواحدة 

الكثافة للمادة المتجانسة فى اى نقطة منها واحدة وبتساوى كتلتها كلها على الحجم الكلى . الكتلة بتتقاس على ميزان او مقياس , الحجم ممكن يتقاس مباشرة ( عن طريق هندسة الشكل ) او عن طريقة كمية السائل المزاح. ولكي نحدد كثافة سائل او غاز ممكن نستخدم اجهزة زى الهيدروميتر او الداسى ميتر او جهاز كرولوس فلو ميتير على التوالى , وبالمثل الميزان الهيدروستاتيكى بيستخدم كمية المية المزاحة من الجسم لكي يحدد كثافته.

للمواد الغير متجانسه 

لو الجسم  مش متجانس ( يتكون من اختلاط اكثر من مادة لهم كثافات مختلفة ) , كثافته تتغير من منطقة للثانية. فى الحالة دى يتم حساب الكثافة لأي موقع فى الجسم عن طريق حساب كثافة حجم صغير من الموقع ده . عند اقل حجم (متناهى الصغر ) تبقى كثافة الجسم الغير متجانس هى :  ب ان ال  هو الحجم الأولى فى المكان  من الجسم . وساعتها نقدر نعبر عن كتلة الجسم بإنها:

للمواد الغير مخلوطة 

عمليا, المواد الحبيبية مثل السكر , الرمل , او الثلج فيها فراغات. الكثير من المواد تتواجد فى الطبيعة على شكل الرقائق او الحبيبات .
الفراغات هى اماكن موجود فيها حاجة ثانية غير المادة . فى الغالب يكون الفراغ ده عبارة عن هواء , او ممكن يكون فضاء ( فراغ ) او سائل , او مادة صلبة , او اى غاز مختلف او خليط غازى .

حجم المواد الحبيبية ( يتضمن حجم الفراغ بين الجزيئات ) , فى الغالب نقدر احضار من حساب سهل مثلا كوب القياس ( المعايرة ) او هندسيا عن طريق معرفة ابعاد الحبيبة.
الكتلة مقسومة على حجم الحبيبة يعطينا كثافة الحبيبة . وهذه تكون غير كثافة كتلة وحدة الحجوم من المادة.

ولده نقيس كثافة كتلة وحدة الحجوم من المادة لازم نزيل حجم الفراغ بين الجزيئات الاول. ساعات نقدر نحدده بالإستدلال الهندسى . بالنسبة لتعبئة القريبة للأجسام المتساوية مكان توصل حجم الجزء اللى  مش به فراغاتل74 %, وممكن تتعين بالتجربة. بعض المواد الحبيبية مثل الرمل لهم حجم متغير من الفراغ وده بيعتمد على سواء المادة دى متناثرة او مصبوبة , ممكن تكون مفكوكة او مدمجة مع بعضها وده يبدأ لتغير مساحة الفراغ بين الحبيبات

عمليا, غير لازم تكون الفراغات ( المسافات البينية ) تكون هواء , او لحد غازات . فى حالة الرمل , ممكن تكون ميه , والى ممكن يعطي فائدة كبيرة للقياس علشان الفراغات تكون مشبعة بالمئة ( لا يكون فيه اى فقاعات هواء ) وده يعطي للقياس ثبات اكثر من قياس الرمل الجاف ( المسافات البينية مشبعة بالهواء ).

فى حالة المواد المش مندمجه, لازم نأخد بالنا فى تحديد كتلة المادة . لو كانت المادة تحت ضغط ( فى العادى يكون ضغط هواء عند سطح الارض ) تحديد كتلة مادة من وزنها يحتاج لمراعاة اثار الطفو بسبب كثافة الفراغ المتكون , وده يكون اعتمادا على كيفية القياس حصل. فى حالة الرمل الجاف , الرمل اكثر كثافة من الهواء ب ان تأثير الطفو يكون مهمل ( اقل من جزء فى الالف ).

التغير فى الكثافة 

فى الغالب , ممكن الكثافة تتغير لو اتغير الضغط او درجة الحرارة . وبزيادة الضغط بتزيد الكثافة. وبزيادة درجة الحرارة بتقل الكثافة ( بين الضغط والكثافة علاقة طردية, و علاقة عكسية بين الكثافة ودرجة الحرارة ) , لاكن فى استئناءات بارزة للتعميم دا. مثلا : كثافة المية بتزيد بين درجة حرارة ذوبانها من 0 °C و 4 °C و وبنفس الكيفية بتظهر فى السيليكون فى درجات الحرارة المنخفضة.

تأثير الضغط ودرجة الحرارة على كثافةا لمواد بيكون بسيط , مقدار الضغط للمواد السايلة والصلبة بيكون 10−6 بار −1 ( 1 بار = 0.1 ضغط جوى ) تحت معيار الحرارة النموذجى 10 −5 كيلفن−1. ودا بيعادل 10 الف مرة ضغط الغلاف الجوى علشان نقلل حجم مادة 1 % بس. ( بالرغم من كدا ممكن يوصل الاف المرات اقل من الغلاف الجوى ودا للتربة الطرملية و الطين ). وعلشان الحجم يزيد 1 % فى العاده لازم تزيد درجة الحرارة على مقياس الالف من الدرجة المئوية.

العكس بالنسبة للغازات فهى بتتأثر بالضغط بقوة . كثافة الغاز الخامل ( المثالى ) بتكون :

ب ان الـ  هى الكتلة المولارية , و الـ  هى الضغط , و  هو ثابت الغاز وبيساوى 8.3144621 جول x كيلفن−1 x مول−1 , و الـ  هى درجة الحرارى المطلقة . ومعنى دا اننا ممكن نضاعف كثافة غاز خامل ( مثالى ) بمضاعفة الضفط او بتقليل درجة الحرارة المطلقة للنص .

وفى حالة التمدد الحجمى الحرارى فى ضغط ثابت وتغير بسيط فى الحرارة اعتماد الكثافة على الحرارة بيتوصف بالمعادلة دى :

ب ان الـ  هى كثافة المادة عند الصفر المئوى ( درجة الحرارة المرجعية ) , و الـ  هو معامل التمدد الحرارى للمادة فى درجة حرارة قريبة من  .

مصادر 

فيزيا