چگالی یا تراکم یک ماده به جرم آن در واحد حجم اشاره دارد و به عنوان اندازه گیری جرم یک جسم با واحد حجم تعریف می شود. از نظر ریاضی، چگالی به صورت جرم تقسیم بر حجم بیان می شود. تراکم به طور کلی یک نوع اندازه گیری است که نشان می دهد ذرات یک ماده چقدر محکم در کنار هم قرار گرفته اند. دانشمندی که چگالی را برای اولین بار بیان کرد، ارشمیدس بود. او نشان داد مواد مختلف تراکم متفاوتی دارند. چگالی یک جسم را می توان با فرمول زیر محاسبه کرد.

ρ = m/v

در فرمول بالا ρ نشان دهنده چگالی یک جسم، m نشان دهنده جرم یک جسم و v نشان دهنده حجم جسم است. ذرات در جامدات به صورت فشرده کنار یکدیگر قرار گرفته اند؛ بنابراین مواد جامد چگالی بیشتری نسبت به مایعات و گازها دارند. مایعات چگالی کمتری نسبت به جامدات دارند، زیرا ذرات در مایع فشرده نیستند.

واحد چگالی در سیستم SI

برای هر ماده چگالی متفاوت تعریف شده است. چگالی آب، یک گرم بر سانتی متر مکعب است و معمولا به عنوان مقدار استاندارد برای محاسبه چگالی مواد مختلف استفاده می شود. چگالی در واحد SI به عنوان کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m³) اندازه گیری می شود. حتی اگر واحد چگالی در سیستم SI کیلوگرم بر متر مکعب است، برای راحتی کار از واحد جامدات به صورت g/cm³، مایع به عنوان g/ml و گازها به عنوان g/L استفاده می شود.

انواع چگالی

چگالی به دو نوع چگالی مطلق و چگالی نسبی طبقه بندی می شود.

چگالی مطلق – جرم هر ماده در واحد حجم یک ماده به عنوان چگالی مطلق تعریف می شود. واحد چگالی مطلق g/cm³ است.

چگالی نسبی – چگالی نسبی به عنوان وزن مخصوص نیز شناخته می شود و به عنوان نسبت چگالی ماده به چگالی ماده مرجع تعریف می شود. چگالی نسبی واحد خاصی ندارد.

کاربردهای چگالی در زندگی روزمره

به طور کلی، چگالی در کاربردهای روزمره نقش مهمی دارد. یکی از این کاربردهای چگالی، ساخت وسایل نجات مانند جلیقه نجات است. این وسایل در استخرها یا سواحل استفاده می شوند و به گونه ای طراحی شده اند که بر روی آب شناور بمانند و از غرق شدن افراد در هنگام شنا محافظت کنند. این وسایل نجات بر روی آب شناور می شوند، زیرا پر از هوا هستند که چگالی کمتری نسبت به آب دارد.

یکی دیگر از کاربردهای چگالی، ساخت کشتی ها است. کشتی ها می توانند در آب شناور شوند، زیرا دارای مخازن بالاست (Water Ballast Tanks) برای نگهداری هوا هستند. این مخازن حجم زیادی با جرم کم را ارائه می دهند که در نتیجه چگالی کشتی را کاهش می دهد.

چگالی جامدات، مایعات و گازها

چگالی یک جسم یکی از مهم ترین و قابل اندازه گیری ترین ویژگی های فیزیکی آن است. به طور کلی گازها کمترین چگالی را دارند، اما این چگالی ها به شدت به فشار و دما بستگی دارد که همیشه باید مشخص شود. تا جایی که یک گاز رفتار ایده آلی از خود نشان می دهد (فشار کم، دمای بالا)، چگالی گاز با جرم اتم های سازنده آن و در نتیجه با وزن مولکولی آن نسبت مستقیم دارد. اندازه گیری چگالی گاز یک روش تجربی ساده برای تخمین وزن مولکولی آن است.

مایعات طیف متوسطی از چگالی را در بر می گیرند. چگالی مایعات تا حد زیادی مستقل از فشار هستند، اما تا حدودی به دما حساس هستند. محدوده چگالی جامدات بسیار گسترده تر است. فلزات که اتم‌ های آن‌ ها به صورت فشرده شده به هم چسبیده اند، دارای بالاترین چگالی هستند. اگرچه چگالی لیتیوم که یک عنصر فلزی است، بسیار کم است. مواد کامپوزیتی مانند چوب و فوم پلی اورتان با چگالی بالا حاوی فضاهای خالی هستند که چگالی متوسط ​​را کاهش می دهند.

تاثیر دما بر چگالی

همه مواد با گرم شدن تمایل به انبساط دارند. افزایش دما باعث می‌ شوند که یک جسم با جرم یکسان حجم بیشتری را اشغال کند و در نتیجه چگالی آن کاهش می یابد. برای اکثر جامدات، این انبساط نسبتا کوچک و بسیار ناچیز است. برای مایعات تاثیر دما بر چگالی بسیار بیشتر است. همچنین حجم گازها نسبت به دما بسیار حساس هستند و البته چگالی آنها نیز همینطور است.

هنگامی که دما افزایش می یابد، مولکول ها انرژی گرمایی بیشتری را به دست می آورند و با شدت بیشتری حرکت می کنند. در فازهای متراکم (مایعات و جامدات)، این حرکت دارای خاصیت یک نوع ضربه یا تکان نامنظم است که باعث می شود میانگین فاصله بین مولکول ها افزایش یابد و در نتیجه منجر به افزایش حجم و کاهش چگالی می شود.