كيف ترتبط الكثافة والكتلة والحجم؟

​كثافةيصف نسبة الكتلة إلى حجم كائن أو مادة.كتلةيقيس مقاومة مادة ما للتسريع عندما تعمل عليها قوة. وفقًا لقانون نيوتن الثاني للحركة (F = أماه) ، القوة الكلية المؤثرة على جسم تساوي حاصل ضرب تسارع كتلته.

يتيح لك هذا التعريف الرسمي للكتلة وضعها في سياقات أخرى مثل حساب الطاقة والزخم وقوة الجاذبية وقوة الجاذبية. نظرًا لأن الجاذبية هي نفسها تقريبًا على سطح الأرض ، يصبح الوزن مؤشرًا جيدًا للكتلة. زيادة وتقليل كمية المادة المقاسة يزيد ويقلل من كتلة المادة.

• كثافة الجسم هي نسبة الكتلة إلى حجم الجسم. الكتلة هي مقدار مقاومة التسارع عند تطبيق قوة عليها وتعني عمومًا مقدار الجسم أو المادة الموجودة. يصف الحجم مقدار المساحة التي يشغلها الكائن. يمكن استخدام هذه الكميات في تحديد الضغط ودرجة الحرارة والسمات الأخرى للغازات والمواد الصلبة والسوائل.

هناك علاقة واضحة بين الكتلة والكثافة والحجم. على عكس الكتلة والحجم ، فإن زيادة كمية المادة المقاسة لا تزيد أو تنقص الكثافة. بمعنى آخر ، فإن زيادة كمية المياه العذبة من 10 جرام إلى 100 جرام سيغير الحجم أيضًا من 10 ملليلتر إلى 100 ملليلتر لكن الكثافة تبقى 1 جرام لكل ملليلتر (100 جم ÷ 100 مل = 1 ز / مل).

هذا يجعل الكثافة خاصية مفيدة في تحديد العديد من المواد. ومع ذلك ، نظرًا لأن الحجم ينحرف مع التغيرات في درجة الحرارة والضغط ، يمكن أن تتغير الكثافة أيضًا مع درجة الحرارة والضغط.

لكتلة معينة وأربعة حجمالخامس،مقدار المساحة المادية التي تشغلها مادة ما ، من جسم أو مادة ، تظل الكثافة ثابتة عند درجة حرارة وضغط معينين. معادلة هذه العلاقة هي

بحيثρ(rho) هي الكثافة ،مهو الكتلة والخامسهو الحجم ، مما يجعل وحدة الكثافة كجم / م³. كثافة متبادلة (1/ρ) يُعرف باسمحجم معين، تقاس بالمتر³ /kg.

يصف الحجم مقدار المساحة التي تشغلها مادة ما ويتم إعطاؤها باللتر (SI) أو غالون (الإنجليزية). يتم تحديد حجم المادة من خلال كمية المادة الموجودة ومدى تقارب جزيئات المادة معًا.

نتيجة لذلك ، يمكن أن تؤثر درجة الحرارة والضغط بشكل كبير على حجم المادة ، وخاصة الغازات. كما هو الحال مع الكتلة ، فإن زيادة كمية المادة وتقليلها يزيد أيضًا ويقلل من حجم المادة.

بالنسبة للغازات ، يكون الحجم دائمًا مساويًا للحاوية التي يوجد بها الغاز. هذا يعني أنه بالنسبة للغازات ، يمكنك ربط الحجم بدرجة الحرارة والضغط والكثافة باستخدام قانون الغاز المثالي

بحيثصهو الضغط في أجهزة الصراف الآلي (وحدات الغلاف الجوي) ،الخامسهو الحجم بالمتر³ (متر مكعب) ،نهو عدد مولات الغاز ،رهل ثابت الغاز العام (ر= 8.314 جول / (مول × ك)) وتيهي درجة حرارة الغاز في كلفن.

•••سيد حسين أثير

تصف ثلاثة قوانين أخرى العلاقات بين الحجم والضغط ودرجة الحرارة لأنها تتغير عندما تظل جميع الكميات الأخرى ثابتة. تُعرف المعادلات باسم قانون بويل وقانون جاي-لوساك وقانون تشارلز على التوالي.

في كل قانون ، تصف المتغيرات اليسرى الحجم والضغط ودرجة الحرارة في نقطة زمنية أولية بينما تصفها المتغيرات اليمنى في وقت لاحق آخر. درجة الحرارة ثابتة لقانون بويل ، والحجم ثابت لقانون جاي-لوساك والضغط ثابت لقانون تشارلز.

تتبع هذه القوانين الثلاثة نفس مبادئ قانون الغاز المثالي ، لكنها تصف التغييرات في سياقات درجة الحرارة أو الضغط أو الحجم الثابت.

على الرغم من أن الناس يستخدمون الكتلة عمومًا للإشارة إلى مقدار المادة الموجودة أو مدى ثقل المادة ، إلا أن الطرق المختلفة يشير الناس إلى كتل من الظواهر العلمية المختلفة يعني أن الكتلة تحتاج إلى تعريف أكثر توحيدًا يشمل كل ما لديها الاستخدامات.

يتحدث العلماء عادةً عن الجسيمات دون الذرية ، مثل الإلكترونات أو البوزونات أو الفوتونات ، على أنها تمتلك كمية صغيرة جدًا من الكتلة. لكن كتل هذه الجسيمات هي في الواقع مجرد طاقة. بينما يتم تخزين كتلة البروتونات والنيوترونات في الغلوونات (المادة التي تحافظ على البروتونات والنيوترونات معًا) ، فإن تعتبر كتلة الإلكترون أقل أهمية بكثير نظرًا لأن الإلكترونات أخف بحوالي 2000 مرة من البروتونات والنيوترونات.

تمثل Gluons القوة النووية القوية ، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة للكون جنبًا إلى جنب القوة الكهرومغناطيسية وقوة الجاذبية والقوة النووية الضعيفة في الحفاظ على ارتباط النيوترونات والبروتونات سويا.

على الرغم من أن حجم الكون بأكمله غير معروف تمامًا ، فإن الكون المرئي ، المادة الموجودة في الكون التي درسها العلماء ، تبلغ كتلتها حوالي 2 × 10⁵⁵ g ، حوالي 25 مليار مجرة ​​بحجم مجرة ​​درب التبانة. يمتد هذا على 14 مليار سنة ضوئية بما في ذلك المادة المظلمة ، وهي مادة ليس العلماء متأكدين تمامًا مما تتكون منها والمادة المضيئة ، وما هي أسباب النجوم والمجرات. تبلغ كثافة الكون حوالي 3 × 10^-30 ز / سم³.

توصل العلماء إلى هذه التقديرات من خلال مراقبة التغيرات في الخلفية الكونية الميكروية (القطع الأثرية للإشعاع الكهرومغناطيسي من المراحل البدائية من الكون) ، والعناقيد الفائقة (عناقيد المجرات) والتركيب النووي Big Bang (إنتاج نوى غير هيدروجينية خلال المراحل الأولى من كون).

يدرس العلماء هذه السمات للكون لتحديد مصيره ، سواء كان سيستمر في التوسع أو في مرحلة ما سينهار في حد ذاته. مع استمرار الكون في التوسع ، اعتاد العلماء على الاعتقاد بأن قوى الجاذبية تمنح الأجسام قوة جذب بين بعضها البعض لإبطاء التوسع.

ولكن في عام 1998 ، أظهرت ملاحظات تلسكوب هابل الفضائي للمستعرات الأعظمية البعيدة أن الكون قد زاد توسع الكون بمرور الوقت. على الرغم من أن العلماء لم يكتشفوا بالضبط سبب هذا التسارع ، هذا التوسع دفع التسارع العلماء إلى وضع نظرية مفادها أن الطاقة المظلمة ، اسم هذه الظاهرة غير المعروفة ، من شأنها حساب لهذا.

لا يزال هناك العديد من الألغاز حول الكتلة في الكون ، وهي مسؤولة عن معظم كتلة الكون. حوالي 70٪ من طاقة الكتلة في الكون تأتي من الطاقة المظلمة وحوالي 25٪ من المادة المظلمة. فقط حوالي 5٪ يأتي من المادة العادية. تُظهر هذه الصور التفصيلية لأنواع مختلفة من الكتل في الكون مدى تنوع الكتلة في سياقات علمية مختلفة.

قوة الجاذبية لجسم في الماء وقوة الطفوالذي يبقيه إلى الأعلى يحدد ما إذا كان الكائن يطفو أو يغرق. إذا كانت قوة الطفو أو كثافته أكبر من قوة أو كثافة السائل ، فإنه يطفو ، وإذا لم يكن كذلك ، فإنه يغرق.

كثافة الفولاذ أعلى بكثير من كثافة الماء ولكن يتم تشكيلها بشكل مناسب ، ويمكن تقليل الكثافة مع الفراغات الهوائية ، مما يؤدي إلى إنشاء سفن فولاذية. تفسر كثافة الماء التي تكون أكبر من كثافة الجليد أيضًا سبب تطفو الجليد في الماء.

​جاذبية معينةهي كثافة مادة مقسومة على كثافة المادة المرجعية. هذا المرجع هو إما الهواء بدون ماء للغازات أو الماء العذب للسوائل والمواد الصلبة.