كيفية تحديد الثقل النوعي

إن معرفة كمية مادة معينة الموجودة بالضبط كجزء من تقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية لتلك المادة أمر أساسي للعلم. الكميات مهمة - كثيرًا! ربما تفكر ، "حسنًا ، دعنا نتجاوز الأشياء الواضحة" في هذه المرحلة ، لكن ضع في اعتبارك السؤال حول معنى "المبلغ". إذا طلب منك أحدكم منكم هناك، ماذا ستقول لها؟

ربما يفسر معظمنا هذا السؤال على أنه "كم وزنك؟" أو ربما "كم يبلغ طولك؟" ومع ذلك ، هناك الكثير من الإجابات المعقولة بنفس القدر. على سبيل المثال ، ما مقدار الحجم (على سبيل المثال ، باللترات) الذي يشغله جسمك؟ كم عدد الذرات أو الخلايا الفردية التي تحتوي عليها؟

الكتلة هي إحدى طرق تتبع "الأشياء" في الكون ، وهي تشير إلى كمية المادة الموجودة ؛ هذا مستقل عن الحجم ، والذي يصف ببساطة كميات من الفضاء ثلاثي الأبعاد. نسبة هاتين الكميتين ، تسمى الكثافة ، هي بطبيعة الحال ذات أهمية ، كما هو الحال مع ابن عم قريب ، يسمىجاذبية معينة. يتم تضمين قياس الجاذبية المحدد في صندوق أدوات الفيزياء بشكل أساسي لمراعاة الطبيعة العالمية للمياه ، كما ستتعلم قريبًا.

في مرحلة ما ، ينفد المرء ببساطة من الكلمات لوصف مفهوم ، وهذا هو الحال مع المادة. تتمثل إحدى طرق التفكير في المادة في أنها أي شيء تعمل عليه الجاذبية ، ويمكنك نظريًا الاحتفاظ بأي نوع من المادة بيديك إذا كانت يديك صغيرة بدرجة كافية ، وانظر بأم عينيك إذا كان لديك قوة خارقة للطبيعة رؤية.

تتكون المادة من واحد أو أكثرعناصر، منها 92 تحدث في الطبيعة. لا يمكن تقسيم العناصر إلى أجزاء أخرى مع الاحتفاظ بخصائصها ؛ أصغر وحدة كاملة للعنصر هيذرة. يمكن أن يتكون جزء كبير من المادة من تريليونات من ذرات عنصر واحد ، مثل رطل من الذهب الخالص. في كثير من الأحيان ، تتحد العناصر المختلفة لتكوين مركبات ، مثل الهيدروجين (H) والأكسجين (O) تتحد لتكوين الماء (H₂س).

الكتلة والوزن وحدات قياس متشابهة ولكنها مميزة. تصف الكتلة ببساطة كمية المادة الموجودة بغض النظر عن العوامل الخارجية ، ووحدة الكتلة SI (النظام الدولي ، أو المترية) هي الكيلوجرام (كجم). في المسائل الفيزيائية التي تنطوي على جاذبية معينة ، يتم استخدام الجرام (g) ، وهو 1/1000 من الكيلوغرام.

يعتمد وزن الجسم على الجاذبية التي تتعرض لها كتلته ، وله وحدات قوة ، والتي في نظام SI هي النيوتن (N). على الأرض ، لا تتغير هذه القيمة بشكل ملحوظ ، لذلك غالبًا ما يتم استخدام الكتلة والوزن بالتبادل. لكن على القمر ، لو كانت الجاذبية أقل قوة ، لكانت كتلتك هي نفسها ولكن وزنك (الكتلةمضرب الجاذبيةز) أضعف نسبيًا.

يشير الحجم إلى مقدار من الفضاء ثلاثي الأبعاد. إنه مكعب الطول ، ووحدة النظام الدولي للوحدات هي اللتر (L). يمثل اللتر الواحد مكعب 10 سم أو سم (0.1 متر أو م) على أحد الجوانب. من المحتمل أن تكون على دراية باختيار الحجم هذا بشكل عام نظرًا لعدد زجاجات المشروبات سعة 1 لتر.

"الحجم" في حد ذاته هو مجرد مساحة محددة رياضيًا ، ربما تنتظر أن تشغلها المادة ، وربما لا تنتظر. عندما تحتل المادة هذا الفضاء ، ومع ذلك ، فإن التأثيرات الناتجة ستكون مختلفة ، عندما يتم وضع كميات مختلفة من المادة في نفس القدر من الفضاء. أنت تعرف هذا بشكل حدسي. عندما تحمل صندوقًا مليئًا بتعبئة الفول السوداني والهواء ، تكون مهمتك أسهل مما كانت عليه عندما كان الصندوق نفسه يحمل شحنة من الكتب المدرسية قبل لحظات.

النسبة بين الكتلة والحجم ، والمعروفة باسم "كتلة القسمة على الحجم" تسمى الكثافة. لكن العلاقة الفريدة بين الماء وكل ما تم ذكره حتى الآن لم يتم وصفها بعد.

ليس للكثافة وحدتها الخاصة في الفيزياء ، فهي لا تتطلب فعلاً وحدة ، بالنظر إلى أنها مشتقة من كمية فيزيائية أساسية (كتلة) وأخرى مشتقة بسهولة من أخرى (الحجم له وحدات مكعبة من الطول). يتم تمثيلها عادةً بالحرف اليوناني rho أو ρ:

يمكنك أن ترى أن الكثافة تحتوي على وحدات كجم / لتر في نظام SI ، ولكن في مشاكل الفيزياء ، غالبًا ما يتم استخدام وحدة g / mL. (نظرًا لأن الأخير يمثل الأول مع كل من الكتلة والحجم مقسومًا على 1000 ، فإن كجم / لتر و جم / مل مكافئان في الواقع.)

ستجد أن معظم الكائنات الحية والعديد من المواد الشائعة التي تشارك في التفاعلات الكيميائية الحيوية لها كثافة مماثلة لتلك الموجودة في الماء ؛ هذا يأتي من حقيقة أن معظم الكائنات الحية تتكون إلى حد كبير أو في المقام الأول من H₂س.

لقد قضى هذا الاستكشاف على حقيقة أن المياه موجودة في كل مكان ليس لتبديد المخاوف من الجفاف ، ولكن لأن الفيزيائيين والكيميائيين توصلوا إلى طريقة سهلة لحساب التغيرات الصغيرة في كثافة النفسنوع المادة: الثقل النوعي ، وهو رقم بلا أبعاد يمثل نسبة كثافة السائل إلى كثافة الماء - مع الالتواء.

بحكم التعريف ، 1 مل من الماء النقي له كتلة 1 جم. تم اختيار اللتر في الأصل ليكون كمية الماء التي تساوي كتلتها 1 كجم بالضبط. تكمن المشكلة في هذا ، كما تعلم المزيد من الباحثين المعاصرين ، في أن الثقل النوعي للماء يختلف في الواقع مع درجة الحرارة حتى عبر النطاقات الصغيرة اليومية (المزيد حول هذا لاحقًا). ولكن بينما يتم تقريب كثافة الماء دائمًا إلى "بالضبط" 1 للأغراض اليومية ، فإن هذا ليس ثابتًا في الواقع.

• لاحظ أن كلمة "الجاذبية" يمكن أن تكون محيرة ، لأن الجاذبية في الفيزياء لها وحدات تسارع وهي مستقلة عن هذا النقاش.

قبل الغوص بشكل كامل في الجاذبية النوعية ، يجب إثبات أهمية الكثافة وأناقتها - مبدأ أرخميدس. ببساطة ، هذا ينص على أن القوة (الطفو) المؤثرة لأعلى والتي تمارس على جسم مغمور في سائل (عادة الماء) تساوي وزن السائل الذي أزاحه الجسم:F_ب= ث​_F.

وهذا يفسر سبب كون السفن مجوفة في الغالب. المواد المستخدمة في صنعها أكثر كثافة من الماء ، مما يعني أنه إذا تم ضغط هذه المواد ، فإن "السفينة" ستحل محل حجمها في الماء ويكون لها وزن كافٍ لجعلها تغرق. ولكن إذا زاد حجم السفينة عن طريق وضع بدن مجوف في قاعدتها ، تنخفض الكثافة الإجمالية ، وتبقى السفينة طافية.

يُطلق على الجهاز الذي يستخدم غالبًا لتحديد الثقل النوعي للسائل عندما تكون قيمته غير معروفة أمقياس كثافة السوائل. تأتي هذه في عدد من الأشكال ، ولكن البناء الأساسي هو أنبوب مرجح في الأسفل بحيث يكون سوف تغرق إلى نقطة معينة في سائل الاختبار ، والتي تقع في أسطوانة متدرجة للقياس أربعة حجمالخامس.

من معرفة حجم السائل الذي يزيحه الأنبوب الموزون ووزن الجزء المغمور ، جنبًا إلى جنب مع درجة حرارة الغرفة إلى تحديد الكثافة الحقيقية للماء في ظل هذه الظروف ، يمكن تحديد كثافة ووزن السائل النوعي من خلال أرخميدس. المبدأ.

تكشف نظرة سريعة على الرسم البياني في الموارد أن الثقل النوعي للمياه لا يزال قريبًا جدًا من 1.000 في النطاق من 0 إلى 10 درجة مئوية ، لكنها تنخفض بعد ذلك بمعدل ثابت إلى حد ما إلى حوالي 0.960 مع اقتراب درجة الحرارة من نقطة غليان الماء البالغة 100 ج. عندما يتم قياس وتحضير مواد مثل الأدوية غالبًا بالميكروجرام ، فمن الضروري أن تكون قادرًا على حساب هذه الاختلافات التي تبدو تافهة في الممارسة العملية.