كثاقة الماء

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،[١] ويوضّح الجدول الآتي قيم كثافة الماء عند درجات حرارة مئوية مختلفة:[٢] 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 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.[٣] 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.[٣] 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.[٤] 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.[٤] 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.[٥] 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،[٦] وتحسب كثافة المياه عن طريق القانون الآتي:[٧] 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) 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.