چگالی یا جرم حجمی چیست؟
چگالی یا جرم حجمی چیست؟
چگالی یا جرم حجمی چیست؟ :
«وزن مخصوص» (Specific Weight) یا «وزن واحد» (Unit Weight)، معیاری است که وزن یک ماده در واحد حجم آن را بیان می‌کند. این معیار با علامت حرف یونانی گاما «γ» نمایش داده می‌شود. واحد وزن مخصوص در سیستم SI، نیوتن بر مترمکعب (N/m3) و در سیستم بریتانیایی، پوند بر فوت مکعب (lbf/ft3) است. به عنوان مثال، آب در دمای 4 درجه سانتیگراد، وزن مخصوصی معادل 9.807 کیلو نیوتن بر مترمکعب یا 62.43 پوند بر فوت مکعب دارد. در این مقاله، به معرفی کاربردهای وزن مخصوص در حوزه‌های مختلف و ارائه روابط موجود برای محاسبه این معیار خواهیم پرداخت.
رابطه کلی وزن مخصوص در رابطه با چگالی یا جرم حجمی چیست؟
رابطه کلی وزن مخصوص به صورت زیر بیان می‌شود:
- γ: وزن مخصوص ماده – وزن بر واحد حجم بر حسب N/m3
- ρ: چگالی ماده – جرم بر واحد حجم بر حسب kg/m3
- g: شتاب جاذبه – نرخ تغییرات سرعت بر حسب متر بر مجذور ثانیه (m/s2) که مقدار آن بر روی زمین معمولاً 9.81 متر بر مجذور ثانیه است.
تغییرات وزن مخصوص
بر خلاف چگالی، مقدار وزن مخصوص یک ماده به صورت مطلق و قطعی نیست. این معیار به مقدار شتاب گرانشی بستگی دارد که با توجه به موقعیت مکانی تغییر می‌کند. دمای ماده به عنوان یکی از مؤثرترین عوامل دخیل در مقدار وزن مخصوص شناخته می‌شود. فشار نیز می‌تواند با توجه به مدول حجمی ماده بر روی این معیار تأثیرگذار باشد. با این وجود، تأثیر این عامل در فشار معمولی بسیار کمتر از عوامل دیگر است.
کاربردهای وزن مخصوص
پارامتر وزن مخصوص در محاسبات مهندسی بخصوص در حوزه‌هایی نظیر مکانیک سیالات، مکانیک خاک و به طور کلی مهندسی مکانیک، عمران، ژئوتکنیک و غیره کاربرد گسترده‌ای دارد. در ادامه به بیان کاربرد این معیار در حوزه‌های اشاره شده می‌پردازیم.
کاربرد وزن مخصوص در مکانیک سیالات
در مکانیک سیالات، وزن مخصوص بیانگر نیروی ناشی از جاذبه بر روی واحد حجم یک سیال است. از این‌رو، این معیار با واحد نیرو بر روی حجم (نیوتن بر مترمکعب یا پوند بر فوت مکعب) نمایش داده می‌شود. به طور کلی می‌توان وزن مخصوص را به عنوان یکی از خواص معرف سیالات در نظر گرفت.
کاربرد وزن مخصوص در مکانیک خاک
به طور معمول، وزن مخصوص به عنوان یکی از خواص خاک در مسائل مرتبط با عملیات خاکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مکانیک خاک، وزن مخصوص به شکل‌های مختلف بیان می‌شود:
«وزن مخصوص مرطوب» (Moist Unit Weight): وزن مخصوص خاک در هنگام وجود آب و هوا درون حفره‌های آن را نمایش می‌دهد.
- γ: وزن مخصوص مرطوب ماده
- γw: وزن مخصوص آب
- w: آب محتوای ماده (نسبت حجم آب به حجم کل)
- Gs: چگالی نسبی خاک (نسبت چگالی ماده به چگالی مرجع)
- e: نسبت تخلخل (نسبت حجم حفره‌های ماده به حجم بخش جامد)
«خشک» (Dry Unit Weight): وزن مخصوص خاک در هنگام وجود هوا به عنوان تنها پرکننده حفره‌ها را نشان می‌دهد.
- γd: وزن مخصوص خشک ماده
- γ: وزن مخصوص مرطوب ماده
- γw: وزن مخصوص آب
- w: آب محتوای ماده
- Gs: چگالی نسبی خاک
- e: نسبت تخلخل
«اشباع» (Saturated Unit Weight): وزن مخصوص خاک در هنگام وجود آب به عنوان تنها پرکننده حفره‌ها (بدون وجود هوا) را نمایش می‌دهد.
- γs: وزن مخصوص اشباع ماده
- γw: وزن مخصوص آب
- w: آب محتوای ماده
- Gs: چگالی نسبی خاک
- e: نسبت تخلخل
«غوطه‌وری» (Submerged Unit Weight): تفاوت بین وزن مخصوص اشباع و وزن مخصوص آب را بیان می‌کند. این معیار اغلب برای محاسبه تنش مؤثر در یک خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- ′γ: وزن مخصوص غوطه‌وری
- γs: وزن مخصوص اشباع ماده
- γw: وزن مخصوص آب
چگالی مایعات به ترتیب چگونه است؟
جیوه به عنوان چگال‌ترین مایع در بین سیالات با چگالی 13/55 گرم بر سانتی متر مکعب در دمای 20 درجه سانتیگراد و فشار یک اتمسفر شناخته می‌شود. در جدول زیر چگالی برخی مایعات رایج را در دمای 20 درجه سانتی گراد (غیر از مواردی که دمای متفاوتی برای آن ذکر شده) و فشار یک اتمسفر معرفی می‌کنیم.
جدول چگالی مایعات مختلف
| مایع | چگالی بر حسب grcm3 |
| آب | 0.99820 |
| آب در دمای صفر درجه سانتیگراد | 0.99984 |
| آب در دمای 4 درجه سانتیگراد | 0.99997 |
| آب در دمای 100 درجه سانتیگراد | 0.95836 |
| بنزین | 0.66−0.69 |
| الکل اتیل | 0.791 |
| سقز | 0.85 |
| روغن زیتون | 0.9 |
| روغن کرچک | 0.969 |
| آب دریا | 1.03 |
| شیر | 1.028−1.035 |
| گلیسیرین | 1.260 |
| جیوه | 13.55 |
چگالی آب چه قدر است و چگونه محاسبه می‌شود؟
چگالی یک ماده به عنوان جرم آن در واحد حجم تعریف می‌شود. این کمیت سنجشی از چگونگی محکم گره خوردن اجزای یک ماده به یکدیگر است. همان طور که گفتیم چگالی یک ماده را می‌توان به عنوان رابطه بین جرم ماده و حجم آن توضیح داد. چگالی آب را نیز می‌توان به صورت زیر تعریف کرد:
چگالی آب برابر با وزن آب در واحد حجم آن است که به دمای آب نیز بستگی دارد.
رابطه چگالی و دما در پاسخ به چگالی یا جرم حجمی چیست؟، چگونه است؟
آب چگالی مطلق ندارد زیرا چگالی آن با درجه حرارت تغییر می‌کند. در حالت مایع آب چگالی بالاتری نسبت به حالت جامد دارد. نمودار چگالی در برابر دما را که در زیر آورده شده است بررسی کنید تا بفهمید چگالی با دما چگونه تغییر می کند.
فرمول دانسیته در پاسخ به چگالی یا جرم حجمی چیست؟، چیست؟
دانسیته همان Density و به معنای چگالی است و به این ترتیب رابطه دانسیته همان رابطه چگالی و برابر با نسبت جرم بر روی حجم است.
چگالی نسبی چیست؟
چگالی نسبی (RD) نسبت چگالی ماده به چگالی آب است. همچنین این کمیت به عنوان وزن ویژه نیز (SG) شناخته می‌شود. چگالی نسبی یا وزن مخصوص از آنجا که یک نسبت است یک مقدار و کمیت بدون واحد است. مقدار آن کمتر از 1 باشد، ماده چگالی کمتری نسبت به آب دارد و شناور می‌شود. اگر چگالی نسبی دقیقاً 1 باشد چگالی ماده دقیقاً برابر با چگالی آب است. چنانچه چگالی نسبی بیشتر از 1 باشد چگالی ماده بیشتر از آب است و ماده غرق می‌شود. برای مثال:
- چگالی نسبی آب خالص در دمای 4 درجه سانتیگراد 1 است.
- چگالی نسبی چوب بالسا 0/2 است. در نتیجه بالسا از آب سبکتر است و روی آن شناور می‌ماند.
- چگالی نسبی آهن 87/7 است. در نتیجه آهن سنگین‌تر از آب است و در آب غرق می‌شود.
هنگام تعیین چگالی نسبی، دما و فشار نمونه و مرجع باید مشخص شود. معمولاً فشار 1 اتمسفر یا 101/325 پاسکال به عنوان فشار مرجع در نظر گرفته می‌شود. فرمول اصلی برای چگالی نسبی یا جرم ویژه به صورت زیر است:
مایعات سنگینی که در گوهر شناسی و کانی شناسی مورد استفاده قرار می گیرند کدامند؟
- 1- متیل یدید Methylene Iodide : در واقع مایع متیلن یدید وزن مخصوص SG=3.33 (مخفف Specific Gravity به معنای وزن مخصوص است) دارد، به این معنا که این مایع نسبت به آب مقطر 3.33 برابر سنگین تر است. اگر متیلن یُدید رو با تولوئن مخلوط کنید وزن مخصوص آن به 3.33 خواهد رسید. تذکر: تولوئن یک ماده ی سمی است بنابراین حتما باید احتیاط کرد.
- 2- برموفورم (Bromoform): برموفورمی که با تولوئن مخلوط شده 2.65 SG=خواهد داشت.
- 3 – کلرسی SG=4.2) Clerici): کلرسی قابلیت انحلال در آب را دارد بنابراین می شود با آب رقیقش کرد.
- 4- محلول تولت SG=3.20) Tholet): اسم دیگر آن محلول یدات پتاسیم جیوه هست. این محلول بسیار در گوهر شناسی پر کاربرد است. بیش از نیمی از گوهر ها را با تولت می شود تشخیص داد همچنین نسبت به بقیه مایعات بالا کمتر سمی است.
- 5 – آب نمک معمولی: اگر در ۵۰۰ سی سی آب ۲۰ گرم نمک حل گردد، وزن مخصوص آن ۱.۱ خواهد بود. فقط برای تشخیص کهربا کاربرد دارد. وزن مخصوص کهربا 1.1 هست بنابراین معلق (Suspended) می شود.
جدول وزن مخصوص سنگهای قیمتی و ساختار شیمیایی آنها:
جدول زیر وزن مخصوص بیش از 150 سنگ قیمتی به همراه ساختار شیمیایی را نشان می دهد.
| نام سنگ | وزن مخصوص | ساختار شیمیایی | |
|---|---|---|---|
 |
سینابار (Cinnabar) | 8-8.2 | Mercury sulfide |
 |
کاسیتریت (Cassiterite) | 6.7-7.1 | Tin oxide |
 |
سروزیت (Cerussite) | 6.46-6.57 | Lead carbonate |
 |
شیلیت (Scheelite) | 5.9-6.3 | Calcium tungstate |
 |
کوپریت (Cuprite) | 5.85-6.15 | Copper oxide |
 |
هماتیت (Hematite) | 5.12-5.28 | Iron oxide |
 |
باریت (Barite) | 4.43-4.46 | Manganese aluminum silicate |
| گارنت اسپسارتین (Spessartite Garnet) | 4.12-4.18 | Manganese aluminum silicate | |
 |
پینیت (Painite) |
4.01 | Calcium aluminum zirconium borate |
 |
اسمیت زونیت (Smithsonite) | 4-4.65 | Zinc carbonate |
 |
یاقوت سرخ (Ruby) | 3.97-4.05 | Aluminum oxide |
 |
سلستین (Celestine) | 3.97-4 | Strontium sulfate |
 |
یاقوت کبود (Sapphire) | 3.95-4.03 | Aluminum oxide |
 |
زیرکن (Zircon) | 3.93-4.73 | Zirconium silicate |
 |
گارنت آلماندین (Almandine Garnet) | 3.93-4.3 | Iron aluminum silicate |
 |
اسفالریت (Sphalerite) | 3.90-4.1 | Zinc sulphide |
 |
گارنت رودولیت (Rhodolite Garnet) | 3.84 | Magnesium aluminum silicate |
|
گارنت تغییر رنگ دهنده (Color-Change Garnet) | 3.78-3.85 | Complex aluminum silicate |
 |
گارنت مالایا (Malaia Garnet) | 3.78-3.85 | Complex aluminum silicate |
 |
گاسپیت (Gaspeite) | 3.71 | Nickel magnesium iron carbonate |
 |
گارنت دمانتوئید (Demantoid Garnet) | 3.7-4.1 | Calcium iron silicate |
 |
آزوریت (Azurite) | 3.77-3.89 | Basic copper carbonate |
 |
الکساندریت (Alexandrite) | 3.7-3.78 | Beryllium aluminum oxide |
 |
کریزوبریل (Chrysoberyl) |
3.7-3.78 | Beryllium aluminum oxide |
 |
گارنت مالی (Mali Garnet) | 3.65 | Calcium aluminum silicate |
 |
بنیتوئیت (Benitoite) | 3.64-3.68 | Barium titanium silicate |
 |
گارنت پیروپ (Pyrope Garnet) | 3.62-3.87 | Barium titanium silicate |
 |
تافئیت (Taaffeite) | 3.6-3.62 | Magnesium beryllium aluminum oxide |
 |
گارنت گروسولار (Grossular Garnet) | 3.56-3.73 | Calcium aluminum silicate |
|
گارنت هسونیت (Hessonite Garnet) | 3.56-3.73 | Calcium aluminum silicate |
 |
گارنت لوکو (Leuco Garnet) | 3.56-3.73 | Calcium aluminum silicate |
 |
گارنت ساواریت (Tsavorite Garnet) | 3.56-3.73 | Calcium aluminum silicate |
 |
اسپینل (Spinel) | 3.54-3.63 | Magnesium aluminum oxide |
 |
کیانیت (Kianite) | 3.53-3.7 | Aluminum silicate |
 |
اسفن یا تیتانیت (Sphene , Titanite) | 3.52-3.54 | Calcium titanium silicate |
 |
الماس (Diamond) | 3.50-3.53 | Carbon |
 |
توپاز (Topaz) | 3.49-3.57 | Aluminum fluosilicate |
 |
سینهالیت (Sinhalite) | 3.46-3.5 | Magnesium aluminum borate |
 |
رودوکروزیت (Rhodochrosite) | 3.45-3.7 | Manganese carbonate |
 |
سرندیبیت (Serendibite) | 3.42-3.52 | Complex borosilicate |
 |
گارنت یوواروئیت (Uvarovite Garnet) | 3.41-3.52 | Calcium chromium silicate |
 |
رودونیت (Rhodonite) | 3.4-3.74 | Manganese silicate |
 |
تانزانیت (Tanzanite) | 3.35 | Calcium aluminum silicate |
 |
ایدوکراز (Idocrase-Vesuvianite) | 3.32-3.47 | Aluminum calcium silicate |
 |
اپیدوت (Epidote) |
3.3-3.5 | Calcium aluminium iron sorosilicate/td> |
 |
همی مورفیت (Hemimorphite) | 3.30-3.5 | Hydrous basic zinc siilcate |
 |
دیاسپور (Diaspore) | 3.30-3.39 | Hydrated aluminum oxide |
 |
یشم جادئیت (Jadeite) | 3.3-3.38 | Sodium aluminum silicate |
 |
پریدوت یا زبرجد (Peridot) | 3.28-3.48 | Magnesium iron silicate |
 |
دیوپتاز (Dioptase) | 3.28-3.38 | Copper cyclosilicate |
 |
ژرمژوئیت (Jeremejevite) | 3.28-3.31 | Aluminum borate |
 |
کورنروپین (Kornerupine) | 3.27-3.45 | Magnesium aluminum borosilicate |
 |
دومورتیریت (Dumortierite) | 3.28-3.41 | Aluminum borate silicate |
 |
آکسینیت (Axinite) | 3.26-3.36 | Calcium aluminium borosilicate |
 |
مالاکیت (Malachite) | 3.25-4.1 | Basic copper carbonate |
 |
سیلیمانیت (Sillimanite) | 3.27-3.27 | Aluminum silicate |
 |
کلسدونی سبز (Chrome Chalcedony) | 3.22-3.38 | Calcium magnesium silicate |
 |
دیوپسید (Diopside) | 3.22-3.38 | Calcium magnesium silicate |
 |
انستاتیت (Enstatite) | 3.20-3.3 | Magnesium silicate |
 |
تورمالین (Tourmaline) | 2.82-3.32 | crystalline boron silicate |
 |
آپاتیت (Apatite) | 3.16-3.23 | Fluoro or chloro calcium phosphate |
 |
زئوسیت (Zoisite) | 3.15-3.38 | Calcium aluminum silicate |
 |
هیدنیت (Hiddenite) | 3.15-3.21 | Lithium aluminum silicate |
 |
اسپودمن (Spodumene) | 3.15-3.21 | Lithium aluminum silicate |
 |
کلینوهومیت (Clinohumite) | 3.13-3.75 | Magnesium silicate |
 |
اوکلاز (Euclase) | 3.10 | Beryllium alum. hydroxide silicate |
 |
آندالوزیت (Andalusite) | 3.05-3.20 | Aluminum silicate |
 |
اکتینولیت (Actinolite) | 3.03-3.07 | Basic calcium magnesium iron silicate |
 |
آمبلیگوینت (Amblygonite) | 3.01-3.11 | Lithium sodium aluminum flurophosphate |
 |
فلوریت (Flourite) | 3.00-3.28 | Calcium fluoride |
 |
سنگ برزیل (Brazilianite) | 2.98-2.99 | Sodium aluminum phosphate |
 |
دنبوریت (Danburite) | 2.97-3.03 | Calcium boric silicate |
 |
گرندیدیریت (Grandidierite) | 2.97-3.03 | Magnesium aluminum borosilicate |
 |
فناکیت (Phenakite) | 2.95-2.97 | Beryllium silicate |
 |
آراگونیت (Aragonite) | 2.94 | Calcium carbonate |
 |
پزوتایت (Pezzottaite) | 2.90-3.1 | Caesium beryllium lithium alum. silicate |
 |
نفریت (Nephrite) |
2.90-3.03 | Calcium aluminum iron silicate |
 |
داتولیت (Datolite) | 2.90-3 | Calcium boron hydroxide nesosilicate |
 |
پرهنیت (Prehnite) | 2.82-2.94 | Basic calcium aluminum silicate |
 |
لپیدولیت (Lepidolite) | 2.80-2.9 | Potassium aluminum lithium silicate |
 |
سوژیلیت (Sugilite) | 2.76-2.8 | Pot. sodium lith. iron manganese alum. silicate |
 |
آمولیت (Ammolite) | 2.75-2.8 | Calcium carbonate |
 |
یودالیت (Eudialyte) | 2.74-2.98 | Zirconium silicate |
 |
لاریمار (Larimar) | 2.74-2.88 | Sodium calcium inosilicate hydroxide |
 |
کلسیت (Calcite) | 2.69-2.71 | Calcium carbonate |
 |
آکوامارین (Aquamarine) | 2.68-2.74 | Aluminum beryllium silicate |
 |
زمرد (Emerald) | 2.67-2.78 | Aluminum beryllium silicate |
 |
بریل طلایی (Golden Beryl) | 2.66-2.87 | Aluminum beryllium silicate |
 |
گوشنیت (Goshnite) | 2.66-2.87 | Aluminum beryllium silicate |
 |
مورگانیت (Morganite) | 2.66-2.87 | Aluminum beryllium silicate |
 |
بریل قرمز یا بیکسبیت (Bixbite) | 2.66-2.87 | Aluminum beryllium silicate |
 |
لابرادوریت (Labradorite) | 2.65-2.75 | Sodium calcium aluminum silicate |
 |
آندزین (Andesine) | 2.65-2.69 | Sodium calcium aluminum silicate |
 |
آمیتیست (Amethyst) | 2.65 | Silicon dioxide |
 |
آمترین (Ametrine) | 2.65 | Silicon dioxide |
 |
سیترین (Citrine) | 2.65 | Silicon dioxide |
 |
بلور کوارتز شفاف یا در کوهی (Crystal Quartz) | 2.65 | Silicon dioxide |
 |
رز کوارتز (Rose Quartz) | 2.65 | Silicon dioxide |
 |
کوارتز دودی (Smoky Quartz) | 2.65 | Silicon dioxide |
 |
چشم ببر (Tiger’s eye) | 2.64-2.71 | Silicon dioxide |
 |
آونتورین (Aventurine) | 2.64-2.69 | Silicon dioxide |
 |
اولیگوکلاز (Oligoclase) | 2.62-2.67 | Sodium calcium aluminum silicate |
 |
سنگ خورشید (Sunstone) | 2.62-2.65 | Sodium calcium aluminum silicate |
 |
مروارید (Pearl) | 2.60-2.85 | Calcium carbonate |
 |
سنگ مرجان یا کُرال (Coral) | 2.60-2.7 | Calcium carbonate |
 |
عقیق (Agate) | 2.6-2.64 | Silicon dioxide |
 |
جاسپر (Jasper) | 2.58-2.91 | Silicon dioxide |
 |
آیولیت (Iolite) | 2.58-2.66 | Magnesium aluminum silicate |
 |
سنگ خون (Bloodstone) | 2.58-2.64 | Silicon dioxide |
 |
کارنلین (Carnelian) | 2.58-2.64 | Silicon dioxide |
 |
کلسدونی (Chalcedony) | 2.58-2.64 | Silicon dioxide |
|
کلسدونی سبز (Chrome Chalcedony) | 2.58-2.64 | Silicon dioxide |
 |
کریزوپراز (Chrysoprase) | 2.58-2.64 | Silicon dioxide |
 |
کالسدون سیلیکای جواهری (Gem Silica) |
2.58-2.64 | Silicon dioxide |
 |
اونیکس (Onyx) | 2.58-2.64 | Silicon dioxide |
 |
اسکاپولیت (Scapolite) | 2.57-2.74 | Sodium calcium aluminum silicate |
 |
واریسیت (Variscite) | 2.57-2.61 | Hydrated aluminum phosphate |
 |
مون استون (Moonstone) | 2.56-2.59 | Potassium aluminum silicate |
 |
آمازونیت (Amazonite) | 2.56-2.58 | Potassium aluminum silicate |
 |
ارتوکلاز (Orthoclase) |
2.56-.2.58 | Potassium aluminum silicate |
 |
چاروئیت (Charoite) | 2.54-2.78 | Complex alkaline calcic silicate |
 |
ویلیامزیت (Williamsite) | 2.51-2.63 | Hydrous magnesium iron phyllosilicate |
 |
پودرتیت (Poudretteite) | 2.51-2.53 | Potassium sodium boron silicate |
 |
لاجورد (Lapis lazuli) | 2.5-3 | Sodim calcium aluminium silicate |
 |
هولیت (Howlite) | 2.45-2.58 | Calcium borosilicate hydroxide |
 |
کارلتونیت (Carletonite) | 2.45 | Hydrated pot. sodium calcium carb. silicat |
 |
هوینیت (Hauynite) | 2.40-2.5 | Sodium aluminum silicate |
 |
پتالیت (Petalite) | 2.4 | Lithium aluminium phyllosilicate |
 |
ابسیدین (Obsidian) | 2.35-2.6 | Siliceous glassy rock |
 |
همبرگیت (Hambergite) | 2.35 | Beryllium borate |
 |
مولداویت (Moldavite) | 2.32-2.38 | Silicon dioxide compound with other minerals |
 |
فیروزه (Turquoise) | 2.31-2.84 | Hydrated copper aluminum phosphate |
 |
هکمنیت (Hackmanite) |
2.14-2.4 | Sodium aluminum chloride silicate |
 |
سودالیت (Sodalite) | 2.14-2.4 | Sodium aluminum chloride silicate |
 |
کریزوکولا (Chrysocolla) | 2-2.4 | Hydrous copper silicate |
 |
اوپال (Opal) | 1.88-2.5 | Hydrous silicon dioxide |
 |
الکزیت (Ulexite) | 1.65-1.95 | Hydrated sodium calcium borate hydroxide |
 |
شبق (Jet) | 1.19-1.35 | Carbon (bituminous coal) |
 |
کهربا (Amber) | 1.05-1.09 | Fossilised organic resin |
جدول : چگالی یا جرم حجمی چیست؟
برگرفته از سایت سنگ شناس
اولین دیدگاه را ثبت کنید