تم النشر اليوم 2024/05/20 | كم تبلغ كثافة الماء

تفسير ارتباط كثافة الماء بدرجة حرارته

يُفسّر انخفاض قيمة كثافة الماء عند ارتفاع درجة حرارته على أنّه عند تسخين الماء تُحوّل جزيئات الماء (H2O) الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية على شكل اهتزازات فتبتعد الجزيئات عن بعضها البعض، وبذلك يقل عدد الجزيئات في وحدة الحجم فتقل الكثافة.

والعكس صحيح تماماً، فعند انخفاض درجات الحرارة حتّى 4 درجة مئوية فإنّ الجزيئات لا تمتلك طاقةً حركيةً تُساعدها على الاهتزاز، وبالتالي تبقى ثابتةً في مكانها تقريباً وتقترب من بعضها البعض حتّى تُحافظ على الروابط فيما بينها، وبذلك يزيد عدد الجزيئات في وحدة الحجم فتزيد قيمة الكثافة.

أمثلة على حساب كثافة الماء

وفيما يأتي أمثلة متنوعة على حساب كثافة الماء:

مثال (1): إذا كانت كتلة الماء تساوي 100 غ، وحجمه 100سم3، احسب كثافة الماء عند درجة حرارة 10 سْ.

الحل:

بتطبيق القانون: الكثافة = الكتلة/ الحجم
الكثافة = 100 / 100
الكثافة = 1 غ/ سم3

مثال(2): إذا كانت كتلة الماء تساوي 80 غ، وحجمه 83.45 سم3، احسب كثافة الماء عند درجة حرارة 100 سْ.

الحل:

بتطبيق القانون: الكثافة = الكتلة/ الحجم
الكثافة = 80 / 83.45
الكثافة = 0.9586 غ/ سم3

مثال (3): إذا كانت كثافة 50 غم من الماء عند درجة حرارة 60 سْ تساوي 0.98338، احسب حجمه.

الحل:

بتطبيق القانون: ث = ك/ ح
0.98338= 50 /ح
ومنه؛ الحجم= ح = 50.8 سم3

تقاس كثافة الماء بوحدة غ/ سم3، وهي ثابتة مهما تغير حجمه ما دامت درجة الحرارة ثابتة، لكن في حال تغيرت درجة الحرارة تتغير كثافة الماء، ويفسر انخفاض كثافة الماء عند ارتفاع درجة الحرارة بابتعاد جزيئات الماء عن بعضها، كما يوجد تفسير علمي لانخفاض كثافة الجليد عن الماء السائل، نتيجة قلة عدد الجزيئات في وحدة الحجم، وتحسب كثافة الماء من خلال النسبة بين الكتلة والحجم، وفق القانون التالي: الكثافة = الكتلة/ الحجم.



طريقة حساب كثافة الماء

تقاس كثافة الماء بالاعتماد على النسبة بين كتلة الماء وحجمه، وتتعدد خصائص الماء ويوجد خاصية مميزة للماء أنه مهما اختلف حجمه أو كتلته فإن كثافته تبقى ثابتة عند ثبات درجة الحرارة، وتحسب كثافة المياه عن طريق القانون الآتي:
كثافة الماء = الكتلة/الحجم

وبالرموز:

ث= ك/ ح

وبالرموز الإنجليزية:

d= M/V

إذ إنّ:

ث (d): كثافة الماء (بالإنجليزية: Density)، وتقاس بوحدة (غ/ سم3)
ك (M): الكتلة (بالإنجليزية: Mass)، وتقاس بوحدة (غ)
ح (V): الحجم (بالإنجليزية: Volume)، ويقاس بوحدة (سم3)

قيم كثافة الماء عند درجات حرارة مختلفة

تُقاس الكثافة بوحدة (كغ/م3)، وفقاً للنظام الدولي للوحدات (SI) ويُمكن تمثيلها بوحدة (غم/سم3) وهي الوحدة شائعة الاستخدام، ويوضّح الجدول الآتي قيم كثافة الماء عند درجات حرارة مئوية مختلفة:

درجة الحرارة (درجة مئوية)

الكثافة (غم/سم3)
0

0.99987
4.0

1.00000
4.4

0.99999
10

0.99975
15.6

0.99907
21

0.99802
26.7

0.99669
32.2

0.99510
37.8

0.99318
48.9

0.98870
60

0.98338
71.1

0.97729
82.2

0.97056
93.3

0.96333
100

0.95865

تفسير انخفاض كثافة الجليد عن الماء السائل

تتفكّك الروابط الهيدروجينية بين جزيئات (H2O) وتعاود الارتباط باستمرار عندما يكون الماء سائلاً، ممّا يسمح بدخول المزيد من الجزيئات في الترتيب الشبكي وبالتالي زيادة الكثافة، أمّا عندما تنخفض درجة الحرارة عن 4 درجات مئوية فإنّ الجزيئات تقترب من بعضها ويقلّ اهتزازها ممّا يسمح بتكوين روابط قوية بينها.

لكن هذه الروابط تُجبر جزيئات الماء على الترتّب بشكل معيّن يتخلّله فراغات ولا تسمح باقتراب جزيئات الماء من بعضها بشكل كبير، وهي بذلك تشغل حيّزاً كبيراً فيقل عدد الجزيئات في وحدة الحجم، وتكون كثافة الماء قد انخفضت بمقدار 9% عن كثافته وهو في الحالة السائلة.

ولهذه الخاصية أثر كبير في تشكّل سطح الأرض، فلولا أنّ الجليد أقل كثافةً من الماء فيطفو فوقه كما في البحار والمحيطات لما استطاعت الأحياء البحرية أن تعيش في الماء تحت الغطاء الثلجي العازل.