ควความหนาแน่น
จากความรู้ในระดับมัธยมศึกษาตอนต้นที่ว่า
ความหนาแน่นของสารเป็นสมบัติเฉพาะของสารแต่ละชนิดและเป็นปริมาณที่บอกค่ามวลของสารในหนึ่งหน่วยปริมาตร ถ้าให้ m เป็นมวลของสารที่มีปริมาตร V และ p เป็นความหนาแน่นของสารแล้วสามารถเขียนเป็นความสัมพันธ์ ได้ว่า
ความหนาแน่นเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m3)
ตาราง 9.1 ความหนาแน่นของสารบางชนิดที่อุณหภูมิ 0 ℃ และความดัน 1 บรรยากาศ
จากการศึกษาสมบัติของของเหลวพบว่า เมื่ออุณหภูมิคงตัวหรือเปลี่ยนแปลงไม่มาก ถือได้ว่าปริมาตรคงตัว ดังนั้นความหนาแน่นของของเหลวจึงมีค่าคงตัว
ค่าความถ่วงจำเพาะของสาร (Specific gravity)
ค่าความถ่วงจำเพาะของสารหรือเรียกว่า ถ.พ. เป็นปริมาณที่บอกค่าเปรียบเทียบค่าความหนาแน่นของสารใด ๆ กับค่าความหนาแน่นของน้ำหรืออาจเรียกได้อีกอย่างว่า ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ ซึ่งเขียนเป็นความสัมพัทธ์ได้ว่า
การหาค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสาร เช่น
ความความหนาแน่นสัมพัทธ์ของทอง โดยพิจารณาจากตาราง 9.1 ทองมีความหนาแน่น 19.3 x 103 kg/m3 ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ของทองหรือ ถ.พ. มีค่าเท่ากับ
ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ 19.3
แสดงว่า ทองมีความหนาแน่นเป็น 19.3 เท่าของความหนาแน่นของน้ำ
//www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/15/9/Fluid/density.htm
หากนำโฟมและเหรียญโยนลงในบ่อน้ำ ผลย่อมเป็นที่แน่นอนเลยว่า โฟมจะลอยน้ำ ส่วนเหรียญก็คงจะจมลงสู่ก้นบ่อ และหากจะถามคำถามง่ายๆ ว่า
“ทำไมโฟมจึงลอยและเหรียญจึงจมน้ำ”
คำตอบที่มักจะได้รับกลับมามากที่สุดคือ
“ไม่เห็นจะแปลกตรงไหนเลย เพราะโฟมมันเบา ส่วนเหรียญมันหนักกว่ามันจึงจมน้ำไง เรื่องแค่นี้ง่ายจะตาย…”
แต่คำตอบนี้มันถูกต้องแค่ไหน? และ คำถามนี้มันง่ายจริงหรือไม่?
งั้นลองถามเพิ่มอีกนิดว่า “แล้วเรือเดินสมุทรลำใหญ่มากๆ ซึ่งหนักไม่รู้กี่แสนกี่ล้านเท่าของเหรียญ มันลอยน้ำได้อย่างไร”
อืม… น่าคิดนะ
รูปแสดง เรือไททานิค เรือเดินสมุทรขนาดใหญ่
ว่าตามหลักการแล้ว การที่วัตถุใดจะจมหรือลอยน้ำนั้น ไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลหรือน้ำหนักของวัตถุเพียงอย่างเดียว แต่ขึ้นอยู่กับปริมาณที่เรียกว่า ความหนาแน่น ของวัตถุนั้น
ความหนาแน่น
จากความรู้ในระดับมัธยมศึกษาตอนต้นที่ว่า ความหนาแน่นของสารเป็นสมบัติเฉพาะของสารแต่ละชนิดและเป็นปริมาณที่บอกค่ามวลของสารในหนึ่งหน่วยปริมาตร ถ้าให้ m เป็นมวลของสารที่มีปริมาตร V และ D เป็นความหนาแน่นของสารแล้วสามารถเขียนเป็นความสัมพันธ์ ได้ว่า D=m/V
และในระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย นักเรียนจะได้พบกับความหนาแน่น ที่มีความหมายเดียวกัน แต่หน้าตาของสูตรแตกต่างกันออกไป
ความหนาแน่น (density, สัญลักษณ์: ρ อักษรกรีก อ่านว่า โร ) เป็นอัตราส่วนของมวลต่อปริมาตรของสาร ในระบบ S.I. มีหน่วยเป็น กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร
ความหนาแน่นเฉลี่ย (average density) หาได้จากผลหารระหว่างมวลรวมกับปริมาตรรวม ดังสมการ
โดยที่
ρ คือความหนาแน่นของวัตถุ (หน่วย กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร)m คือมวลรวมของวัตถุ (หน่วย กิโลกรัม)V คือปริมาตรรวมของวัตถุ (หน่วย ลูกบาศก์เมตร)ข้อควรจำ (หรือเปล่า) ความหนาแน่นเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m^3)
ตาราง 1 ความหนาแน่นของสารบางชนิดที่อุณหภูมิ 0 ℃ และความดัน 1 บรรยากาศ
| สาร | ความหนาแน่น (kg/m3) | สาร | ความหนาแน่น (kg/m3) |
ของแข็ง | ของเหลว | ||
| ออสเมียม | 22.5 x 103 | ปรอท | 13.6 x 103 |
| ทอง | 19.3 x 103 | น้ำทะเล | 1.024 x 103 |
| ยูเรเนียม | 18.7 x 103 | น้ำ (4 °C) | 1.00 x 103 |
| ตะกั่ว | 11.3 x 103 | เอทิลแอลกอฮอร์ | 0.79 x 103 |
| เงิน | 10.5 x 103 | น้ำมันเบนซิน | 0.68 x 103 |
| ทองแดง | 8.9 x 103 | แก๊ส | |
| ทองเหลือง | 8.6 x 103 | ออกซิเจน | 1.429 |
| เหล็ก | 7.86 x 103 | อากาศ | 1.292 |
| อลูมิเนียม | 2.70 x 103 | ไนโตรเจน | 1.251 |
| แมกนีเซียม | 1.74 x 103 | ฮีเลียม | 0.179 |
| แก้ว | (2.4 – 2.8) x 103 | ไฮโดรเจน | 0.090 |
| น้ำแข็ง | 0.917 x 103 | ||
| โฟม | 0.1 x 103 |
จากการศึกษาสมบัติของของเหลวพบว่า เมื่ออุณหภูมิคงตัวหรือเปลี่ยนแปลงไม่มาก ถือได้ว่าปริมาตรคงตัว ดังนั้นความหนาแน่นของของเหลวจึงมีค่าคงตัว
เกือบลืมอีกแล้ว
อุณหภูมิของของสารที่เปลี่ยนแปลงไป มีผลทำให้ความหนาแน่นของสารเปลี่ยนแปลงไปด้วย ดังนั้นการกำหนดค่าความหนาแน่นของสารที่ละเอียด ควรจะระบุอุณหภูมิของสารนั้นด้วย เช่นน้ำบริสุทธิ์ ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส มีความหนาแน่น 1,000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร เป็นต้น
ความรู้เพิ่มเติม
– สสารที่หนาแน่นที่สุดที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติบนโลก คือ ธาตุอิริเดียม มีความหนาแน่นประมาณ 22,650 kg/m^3.
– น้ำที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส มีความหนาแน่น 1,000 kg/m^3 หรือ 10^3 kg/m^3 ใช้เป็นค่ามาตรฐานของความหนาแน่นน้ำ
ความหนาแน่นสัมพัทธ์ เป็นการบอกว่าความหนาแน่นของสารชนิดหนึ่ง
มีความหนาแน่นเป็นกี่เท่าของความหนาแน่นของน้ำ(ความหนาแน่น 10^3 kg/m^3 )
ดังนั้นเมื่อต้องการหาความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสารใด ให้นำ 10^3 ไปหาร เช่น ปรอทมีความหนาแน่น 13.6 x 10^3 kg/m^3
ดังนั้น ปรอทมีความหนาแน่นสัมพัทธ์ = 13.6 x 10^3 / 10^3 = 13.6
ข้อสังเกต –
ความหนาแน่นสัมพัทธ์ไม่มีหน่วย
– ความหนาแน่นสัมพัทธ์ เดิมเรียกว่า ค่าความถ่วงจำเพาะของสาร
ความหนาแน่นของสารผสม เมื่อนำของเหลวสองชนิดมาผสมเป็นเนื้อเดียวกัน โดยกำหนดให้สารชนิดที่หนึ่งมีความหนาแน่น และปริมาตรค่าหนึ่ง และสารชนิดที่สองมีความหนาแน่นและปริมาตรอีกค่าหนึ่ง เราสามารถหาความหนาแน่นของสารผสมนี้ได้จากอัตราส่วนของมวลผสมกับปริมาตรผสม แล้วยังแทนมวลของสารแต่ละชนิดได้ด้วยผลคูณของความหนาแน่นกับปริมาตรของสาร แต่ละชนิด ตามสมการ
การเปรียบเทียบความหนาแน่นของวัตถุ
เมื่อนำวัตถุหย่อนลงในของเหลวแล้วสังเกตการลอยหรือการจมของวัตถุในของเหลว สามารถเปรียบเทียบความหนาแน่นของวัตถุกับความหนาแน่นของของเหลวนั้นได้ ดังนี้
รูปแสดงผลของวัตถุในของเหลว
จากรูปบน วัตถุ A จมอยู่ที่ก้นภาชนะแสดงว่า ความหนาแน่นของวัตถุ A มากกว่าความหนาแน่นของของเหลว วัตถุ B ลอยปริ่มๆผิวของเหลว แสดงว่าวัตถุ B มีความหนาแน่นเท่ากับความหนาแน่นของของเหลว วัตถุ C ลอยพ้นผิวของเหลว แสดงว่าวัตถุ C มีความหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของของเหลว
รูปแสดงการเปรียบเทียบความหนาแน่น อยู่บนความหนาแน่นน้อย อยู่ล่างความหนาแน่นมาก
เรียนรู้เพิ่มเติม ทำไมเรือเหล็กจึงลอยน้ำได้ คลิก ที่นี่
ตัวอย่างการนำความรู้เรื่องความหนาแน่นไปใช้
ตัวอย่างการประยุกต์ความรู้เรื่องความหนาแน่นในการทำของประดับบ้าน
ตัวอย่างการประยุกต์ความรู้เพื่ออธิบายว่าทำไมในทะเลบางแห่ง คนถึงไมจมน้ำเลย
ไข่เก่า-ไข่ใหม่