چگالی آب برای افرادی که در مکانیک سیالات و شیمی فعالیت داشته و یا در آزمایشگاهها مشغول کار هستند، یک موضوع بسیار مهم است. در واقع برای یافتن وزن و حجم و جرم ماده نیاز به محاسبه چگالی آب میباشد. محاسبه چگالی آب باید در دما و فشار مشخص اندازه گیری شود. دما در تعیین میزان چگالی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. وقتی دما تغییر میکند، چگالی آب نیز تغییر میکند.
چگالی آب و محاسبه دقیق آن میتواند تغییرات آب و تاثیر آن بر زندگی و حیات موجودات را نشان دهد. گرم و سرد شدن آب و تغییر در حجم و چگالی، اطلاعات مختلفی از اکوسیستم به ما میدهند. لذا محاسبه چگالی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.
ما قصد داریم چگالی آب، روش های اندازه گیری و مسائلی از این دست را مورد بحث و بررسی قرار دهیم. پس همراه ما باشید.
تعریف چگالی آب
پیش از این که در مورد محاسبه و مشخص کردن چگالی آب صحبت کنیم، بهتر است در مورد چگالی، چگالی نسبی و مواردی از این دست صحبت کنیم تا با این مفاهیم به طور کلی آشنا شویم.
تعریف چگالی
در بیان ساده، نسبت جرم به حجم را چگالی میگوییم. چگالی همان جرم حجم واحد یا جرم ویژه میباشد. دانسیته نام دیگر چگالی است و فرمول آن نیز همواره برابر با جرم به روی حجم است.
تعریف چگالی نسبی
چگالی نسبی یکی از مفاهیمی است که در فیزیک بسیار پرکاربرد است. تمامی جامدات و مایعات را نسبت به آب چگالی سنجی میکنیم و گازها را هم نسبت به هوا باید چگالی سنجی کرد. حالا چگالی نسبی یک چگالی بدون بعد است. در واقع به این صورت محاسبه میگردد که چگالی ماده مورد نظر را با توجه به چگالی یک ماده مرجع تعریف میکنیم.
حالا که با دو مفهوم چگالی و چگالی نسبی بیشتر آشنا شدیم، میتوانیم چگالی آب را هم مورد بحث و بررسی قرار دهیم.
آب مایعی است که برای تعیین چگالی جامدات به کار میرود. در واقع با دانستن چگالی و حجم و جرم آب و کم کردن آن از حجم و جرم ماده مورد نظر میتوانیم به نتایجی در خصوص چگالی ماده مورد نظر دست پیدا کنیم. معمولا چگالی آب در دما و فشار مشخص برابر با یک گرم بر سانتیمتر مکعب است. دمای آب در این شرایط باید برابر با 4 درجه سلسیوس باشد. چنانچه دمای آب تغییر کند و یا شرایط فشار دستخوش تغییرات شود، میزان چگالی نیز متغیر خواهد شد.
اهمیت دانستن چگالی آب چیست؟
چگالی آب و دانستن میزان آن بسیار حائز اهمیت است. علاوه بر این که برای تعیین حجم و جرم و چگالی جامدات نیاز است تا چگالی آب را هم داشته باشیم، محاسبه آن و اطلاع از میزان آن میتواند تاثیرات زیادی بر اکوسیستم، علم پزشکی، دما و جریانهای آبی و . . . داشته باشد. در اینجا به اهمیت این موضوع بیشتر میپردازیم.
محاسبه چگالی آب به چند دلیل اهمیت دارد که شامل موارد زیر هستند:
1. چگالی آب میتواند به جریانهای آبی در دریاها و اقیانوسها بسیار کمک کند. در نتیجه آب و هوای کره زمین هم تعدیل خواهد شد.
2. چگالی آب در هوای سرد و دمای پایین، بیشتر خواهد شد. در نتیجه آبزیان در فصول سر به کف دریا و دریاچهها میروند و اکوسیستم حفظ میشود. موجودات بیشتر زنده میمانند و زندگی آها حفظ میشود.
3. از چگالی آب میتوانیم در محاسبات مختلف مربوط به حمل و نقل آب، تحقیقات مربوط به آب و . . . استفاده کنیم.
4. در علم پزشکی و بهداشت، دانستن دانسیته و چگالی آب از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. زیرا میتوانیم با محاسبه چگالی آب، کیفیت آن و همچنین حضور آلایندهها را تشخیص دهیم.
5. کاربرد چگالی آب در صنعت نیز بسیار زیاد بوده و در صنایع مختلف شیمیایی و انرژی کاربرد دارد. مثل صنعت نفت.
مهمترین چیزی که ما را به محاسبه چگالی آب وا میدارد، این است که بتوانیم با بدست آوردن آن، میزان غلظت مواد مختلف در آب را تشخیص دهیم.
نحوه محاسبه و فرمول چگالی آب
برای بدست آوردن چگالی آب یا مایعات از دو روش زیر میتوانیم استفاده کنیم:
· تعیین چگالی به روش استفاده از استوانه مدرج
· روش تعیین چگالی با دستگاه پیکنومتر
در روش اول باید یک استوانه مدرج 25 میلی لیتری را کاملا خشک کرده و آن را با ترازوی دقیق و حساس تا مثبت و منفی 1 هزارم گرم وزن کنیم. حالا تا جایی که استوانه عدد 20 میلی لیتر را نشان میدهد، مایع مورد نظر را درون آن میریزیم. البته مایع مد نظر باید دمای 0 درجه سانتیگراد را داشته باشد. حالا باید با همان شرایط قبلی، آن را مجددا وزن کنیم. برای این که بتوانیم اندازه گیری دقیق و بهتری داشته باشیم، باید مایع را با پیپت یا بورت برداریم. حالا باید یک استوانه مدرج 50 میلی لیتری را ابتدا خشک کنیم و سپس 20 میلی لیتر آن را پر کنیم. حالا باید بشر را وزن کنیم. با دانستن وزن و حجم مایع، چگالی محاسبه میگردد.
در روش دوم که با استفاده از پیکنومتر انجام میشود، چگالی مد نظر بسیار دقیق محاسبه میشود. ابتدا دستگاه پیکنومتر را خالی و خشک اندازه گیری کرده و وزن آن را با m1 مشخص می کنیم. حالا باید دستگاه پیکنومتر را با آب مقطر و با دمای صفر درجه سانتی گراد پر کرده و وزن آن را تحت عنوان m2 یادداشت کنیم. این بار باید مایع مورد نظر را در آن ریخته و مجددا وزن کرده و تحت عنوان m3 یادداشت کنیم. دقت کنیم که باید در هر مرحله از وزن گیری، دقت وزنه روی مثبت و منفی 1 هزارم باشد.
حالا با دانستن وزن m1 و m2 و m3 و یک جمع و تفریق ساده میتوانیم چگالی را محاسبه کنیم.
نحوه محاسبه چگالی آب با استفاده از کیت دانسیته و ترازوی آزمایشگاهی
نحوه محاسبه چگالی آب با روشهای مختلفی قابل انجام است اما هر کدام از این روشها شرایط و دردسرهای مربوط به خود را دارند. البته منظور از دردسر، پیچیدگی روش نیست. منظور این است که امکان دارد نتوانیم شرایط و تجهیزات را فراهم کنیم. اما در یک روش مخصوص که با یک ترازوی ساده آزمایشگاهی قابل انجام شدن است، میتوانیم خیلی راحت چگالی آب یا هر مایع دیگری را اندازه گیری کنیم.
در این روش میتوانیم ابتدا یک کیت مخصوص روی ترازو نصب کنیم. سپس مایع مد نظر را درون آن میریزیم و درون بشری که از قبل روی ترازو گذاشتهایم را هم پر از آب مقطر میکنیم. حالا خیلی راحت با یک محاسبه عددی، وزن هر کدام را قبل و بعد از این جریان یادداشت کرده و از یک دیگر کم میکنیم. چگالی آب با این روش خیلی راحت بدست میآید.
آزمایش چگالی آب را میتوانیم با چگالی متر ارتعاشی که نتایج دقیق را ارائه میکند، انجام دهیم. در یک محیط با دمای ثابت میتوانیم نمونه آب را از یک تیوب ارتعاشی عبور دهیم. در این صورت میتوانیم بگوییم که چگالی محلول مورد نظر برابر با مربع زمان ارتعاش آن میباشد.
مطابق فرمول زیر، چگالی محاسبه میشود و در آن، p برابر با چگالی، A و B برابر با دادههای کالیبراسیون، τبرابر با دوره زمانی نمونه و τ0 برابر با دوره زمانی آب است.
کلام آخر
چگالی آب و دانستن آن در مسائل مختلفی کاربرد دارد. همان طور که گفته شد از چگالی آب میتوان استفادههای مختلفی در علوم کرد. چگالی را میتوان یکی از خواص آب دانست. بنابراین میتوان از آن به عنوان یک واسطه استفاده کرد تا چگالی سایر اجسام را هم محاسبه نمود.
