ความหนาแน่น ของสสารคืออะไร และความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงได้อย่างไร

ความหนาแน่น (Density) ของสสาร

ความหนาแน่น (Density) คืออัตราส่วนของมวลต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร ซึ่งเป็นสมบัติพื้นฐานทางกายภาพของสสาร โดยวัตถุที่มีมวลในหนึ่งหน่วยพื้นที่ที่กำหนดมากเท่าไหร่ ยิ่งแสดงให้เห็นว่าวัตถุดังกล่าวมีความหนาแน่นมากเท่านั้น นอกจากนี้ ความหนาแน่นยังแปรผันตามมวลอะตอม (Atomic Mass) ของธาตุหรือมวลโมเลกุลของสารประกอบอีกด้วย

ความหนาแน่น, ความหนาแน่นของสสาร, ความหนาแน่นของสาร
ภาพแสดงของเหลวแต่ละชนิดที่มี่ความหนาแน่นต่างกัน

สูตรคำนวณความหนาแน่น

ในการคำนวณหาความหนาแน่นของสสารความหนาแน่นมักถูกแสดงผลด้วยสัญลักษณ์ p (โร) ซึ่งเป็นตัวอักษรตัวที่ 17 ในภาษากรีกโดยคำนวณผ่านความสัมพันธ์ระหว่างมวล (Mass) หรือปริมาณเนื้อของสสารที่ถูกบรรจุอยู่ภายในวัตถุต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร (Volume)

p = m/v

โดยหน่วยของความหนาแน่นที่ผู้คนนิยมใช้กันคือ กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m3) และกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (g/cm3) และจากสูตรการคำนวณหาความหนาแน่นข้างต้นแสดงให้เห็นว่า ความหนาแน่นนั้นเป็นอัตราส่วนของมวลต่อปริมาตรที่ไม่ได้คำนึงถึงปริมาณของวัตถุหรือสารตั้งต้นทั้งหมดที่มีอยู่ในขณะนั้น

ดังนั้น ความหนาแน่นจึงเป็นสมบัติที่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณของสสาร (Intensive Property) ซึ่งโดยทั่วไป เราอาจสับสนระหว่างความหนาแน่นกับน้ำหนัก เนื่องจากวัตถุ 2 ชิ้นที่มีปริมาตรเท่ากัน ชิ้นที่มีความหนาแน่นมากกว่ามักมีน้ำหนักที่มากกว่า ซึ่งในความเป็นจริง ความหนาแน่นเป็นความสัมพันธ์ระหว่างมวลต่อปริมาตร จึงไม่สามารถหาข้อสรุปจากการพิจารณามวลหรือปริมาตรของสสารเพียงส่วนเดียว แต่ต้องพิจารณาตัวแปรทั้งสองควบคู่กันไป

อ่านเพิ่มเติม : ความหนาแน่นของน้ำ

ตารางแสดงความหนาแน่นของสสารทั่วไป

สสาร

ความหนาแน่น (g/cm3)

อากาศ

0.0013

ขนนก

0.0025

น้ำแข็ง

0.92

น้ำ

1.00

เหล็ก

7.80

ทอง

19.30

ธาตุออสเมียม(Osmium: Os)

สสารที่มีความหนาแน่นสูงสุดที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติบนโลก

22.59

ธาตุออสเมียม, สสารที่มีความหนาแน่นมากที่สุดในโลก, ความหนาแน่น
แร่ธาตุออสเมียม

อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นของสสารบางชนิดอาจไม่คงที่ในทุกอณูหรือทุกพื้นที่ภายในเนื้อสาร อย่างเช่น อากาศในชั้นบรรยากาศโลก ซึ่งยิ่งอากาศอยู่สูงขึ้นไปเหนือพื้นดินเท่าไหร่ ความหนาแน่นของอากาศจะยิ่งลดน้อยลงเท่านั้นเช่นเดียวกับความหนาแน่นของน้ำทะเลในมหาสมุทร ความหนาแน่นของน้ำจะยิ่งสูงขึ้น เมื่อระดับความลึกของน้ำทะเลเพิ่มมากขึ้นดังนั้น สูตรการคำนวณหาความหนาแน่นของสสารข้างต้นจึงเป็นการคำนวณหาความหนาแน่นเฉลี่ยของสารโดยทั่วไป

นอกจากนี้ ความหนาแน่นของสสารยังขึ้นอยู่กับปัจจัยทางสภาวะแวดล้อมอีกด้วยเช่น อุณหภูมิ (Temperature) และความดัน (Pressure) โดยเฉพาะความหนาแน่นของก๊าซที่มักจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิและความดันได้ง่ายกว่าสสารในสถานะอื่นซึ่งโดยทั่วไป วัตถุจำนวนมากจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนและจากการที่วัตถุขยายตัวขึ้นนั้น ส่งผลให้ปริมาตรของวัตถุเพิ่มสูงขึ้นตามไปด้วย เมื่อปริมาตรเพิ่มมากขึ้นความหนาแน่นของวัตถุดังกล่าวจึงลดลง ซึ่งปรากฏการณ์ทางธรรมชาตินี้สามารถเกิดขึ้นได้ในสสารทุกสถานะ ทั้งที่เป็นของแข็งของเหลวและก๊าซ

ความหนาแน่น, การลอยตัว, บอลลูน
บอลลูนใช้หลักการเรื่องความหนาแน่นเพื่อให้ลอยขึ้นไปได้

ความถ่วงจำเพาะ(Specific Gravity) และการใช้ประโยชน์

จากการศึกษาและค้นคว้าเกี่ยวกับความหนาแน่นของสสาร ทำให้เกิดแนวคิดเรื่อง “ความถ่วงจำเพาะ” (Specific Gravity) หรืออัตราส่วนของความหนาแน่นของวัตถุต่อความหนาแน่นของน้ำดังนั้น วัตถุที่มีความถ่วงจำเพาะน้อยกว่า 1 (ความหนาแน่นของน้ำอยู่ที่ราว 1 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร) จะสามารถลอยอยู่เหนือผิวน้ำได้ ขณะที่วัตถุซึ่งมีความถ่วงจำเพาะมากกว่า 1 มักจมลงใต้ผิวน้ำ มนุษย์นำแนวคิดเรื่องความหนาแน่นและความถ่วงจำเพาะมาใช้ประโยชน์มากมาย โดยเฉพาะการสร้างยานพาหนะต่างๆ เช่น เรือเดินสมุทร บอลลูน หรือเครื่องบิน นอกจากนี้ ความหนาแน่นยังใช้ในการระบุและจัดจำแนกแร่ธาตุหรือองค์ประกอบของหินต่างๆ อีกด้วย

สืบค้นและเรียงเรียงโดย
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ


ข้อมูลอ้างอิง

http://www.narit.or.th/index.php/astronomy-article/766-degeneration-material

https://www.visionlearning.com/en/library/General-Science/3/Density/37

https://www.thoughtco.com/what-is-density-definition-and-calculation-2698950

https://www.worldatlas.com/articles/what-is-density.html

https://il.mahidol.ac.th/e-media/ap-physics2/lesson7_1.html


เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : สสาร และการเปลี่ยนแปลงสถานะ (States of Matter)

เรื่องแนะนำ

ทฤษฎีบิ๊กแบง (Big Bang Theory)

การค้นพบ ทฤษฎีบิ๊กแบง ทฤษฎีบิ๊กแบง (Big Bang Theory) คือ แบบจำลองในจักรวาลวิทยาที่ใช้อธิบายถึงการกำเนิดและวิวัฒนาการของเอกภพ (Universe) ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับและกล่าวถึงมากที่สุด จากหลักฐานทางวิทยาศาสตร์หลายชิ้นและการสังเกตการณ์ของเหล่านักดาราศาสตร์ ทำให้เกิดข้อสรุปร่วมกันว่า ขณะนี้ เอกภพ หรือจักรวาล กำลังขยายตัวออกไป ดวงดาวและกาแล็กซีกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากกันทุกวินาที ดังนั้น เมื่อย้อนเวลากลับไปหลายพันล้านปีก่อนจนถึงจุดเริ่มต้นของทุกสรรพสิ่ง ทุกสสารและพลังงานในจักรวาล ต้องอยู่ใกล้ชิดกันยิ่งกว่านี้ และมีจุดกำเนิดมาจากจุดเดียวกัน นั่นคือ การระเบิดครั้งใหญ่ หรือ บิ๊กแบง จากจุดที่มีขนาดเล็กยิ่งกว่าอะตอมเป็นพันล้านเท่า จุดที่มีอุณหภูมิและความหนาแน่นเป็นอนันต์ (Singularity) จุดที่รวมแรงทั้ง 4 ในธรรมชาติไว้เป็นหนึ่งเดียว (แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์เข้มและแรงนิวเคลียร์อ่อน) ก่อนจะเกิดการขยายตัว หรือ การระเบิดออกอย่างรวดเร็วและรุนแรง ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของเอกภพ สสาร และพลังงาน รวมถึงที่ว่าง (Space) และกาลเวลา (Time) ส่งสสารและพลังงานไปในห้วงอวกาศ ให้กำเนิดดวงดาวและกาแล็กซี จนเป็นจักรวาลอย่างที่เราเห็นอยู่ในทุกวันนี้ อ่านเพิ่มเติม : ระบบสุริยะจักรวาล แนวคิดในทฤษฎีบิ๊กแบงถูกเสนอขึ้นครั้งแรก ในปี 1927 โดย บาทหลวง […]

พยากรณ์อากาศจากนกทะเล

พยากรณ์อากาศจากนกทะเล ในอนาคตอันใกล้นี้ ข้อมูลที่เก็บได้จากนกจมูกหลอดลายจะมีส่วนช่วยให้การพยากรณ์อากาศมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นทุกๆ ปี นกทะเลเหล่านี้จะเดินทางมายังอ่าวทางตะวันออกของเอเชียเพื่อจับคู่ผสมพันธุ์ และอพยพหนีจากฤดูหนาว วิถีชีวิตของนกจมูกหลอดลายเหล่านี้อยู่บนผิวน้ำทะเลมากกว่าแผ่นดิน นั่นจึงเป็นที่สนใจของ Katsufumi Sato นักนิเวศวิทยาจากมหาวิทยาลัยโตเกียว ตัวเขาคิดว่านกเหล่านี้มีศักยภาพพอที่จะเป็นส่วนหนึ่งในทีมงานวิจัยสภาพอากาศ ด้วยอุปกรณ์บันทึกข้อมูลของสภาพอากาศที่มีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษ Sato ทดลองติดตั้งอุปกรณ์เหล่านี้ให้แก่นก เพื่อใช้พวกมันเก็บข้อมูลของอุณหภูมิมหาสมุทร, ความเร็วลม ไปจนถึงกระแสคลื่น เพื่อนำข้อมูลที่ได้จากผู้อยู่อาศัยตามธรรมชาติเหล่านี้ไปเปรียบเทียบกับข้อมูลจากแหล่งอื่นๆ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของการพยากรณ์อากาศในอนาคตได้   อ่านเพิ่มเติม นกทำความสะอาดรักแร้ให้ยีราฟ

ชมแผ่นน้ำแข็งทรงกลมค่อยๆ หมุนอยู่บนผิวน้ำ

โดย ซาร่าห์ กิบเบ็นส์ ภาพที่เกิดขึ้นนี้ดูราวกับเป็นความสมบูรณ์แบบทางธรรมชาติ เมื่อแผ่นน้ำแข็งรูปทรงกลมกำลังหมุนอย่างช้าๆ บนผิวของแม่น้ำ คลิปวิดีโอนี้ถูกบันทึกไว้ในปี 2016 จากแม่น้ำใน Omsk Oblast ภูมิภาคทางตอนกลางของรัสเซีย และทางตอนเหนือของคาซัคสถาน เมื่อมองในแวบแรก แผ่นน้ำแข็งดูเหมือนว่ากำลังหยุดนิ่ง แต่หากดูให้ดีจะพบว่ามันกำลังหมุนอย่างช้าๆ และที่น่าทึ่งก็คือแผ่นน้ำแข็งรูปวงกลมนี้ถูกสร้างขึ้นอย่างสมมาตร หรือเรียกได้ว่าเป็นวงกลมที่สมบูรณ์แบบ คำบอกเล่าจากผู้ถ่ายวิดีโอ (ที่ไม่ขอเปิดเผยชื่อ) แผ่นน้ำแข็งแผ่นนี้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 50 ฟุต ในรัสเซียแผ่นน้ำแข็งทรงกลมขนาดใหญ่เช่นนี้หาดูได้ยาก แต่ปรากฏการณ์ดังกล่าวไม่ใช่เรื่องผิดธรรมชาติแต่อย่างใดและแผ่นน้ำแข็งลักษณะนี้ก็มีรายงานการพบใน รัฐนอร์ทดาโกตา, วอชิงตัน และมิชิแกนเช่นกัน ทฤษฎีแรกที่เกิดจากการสังเกตแผ่นน้ำแข็งในปี 1987 และ 1994 ที่อยู่ระหว่างการไหลของแม่น้ำ อธิบายถึงสาเหตุของการเกิดลงใน Royal Meteorological Society ว่า การไหลของแม่น้ำทำให้เกิดกระแสน้ำวนขึ้น และส่งผลให้เกิดแผ่นน้ำแข็งเป็นรูปวงกลม แต่ผลการศึกษาเพิ่มเติม เมื่อเดือนมีนาคม ปีที่ผ่านมา ระบุว่าทฤษฎีนี้ไม่น่าจะเป็นไปได้เท่าไหร่ ผลการศึกษาที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร Physical Review E นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยลีแยฌ ในเบลเยียม พบว่า อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปเป็นตัวทำให้เกิดน้ำวนขึ้น โดยเกิดจากเมื่อน้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะมีความหนาแน่นน้อยลงในขณะที่พื้นผิวยังคงเย็นอยู่ด้วยน้ำแข็ง จึงเกิดเป็นน้ำวนขึ้นมา ทีมนักวิจัยทดลองทฤษฎีนี้ในห้องปฏิบัติการ […]

ฮีตสโตรก : อาการและวิธีการดูแลรักษาเบื้องต้น

อาการ ฮีตสโตรก ความเจ็บป่วยที่มาพร้อมกับอากาศร้อน โดยบางครั้งเราไม่อาจทันตั้งตัว   ฮีตสโตรก (Heat stroke) หรือโรคลมแดด เป็นหนึ่งในภาวะฉุกเฉินทางการแพทย์ อันเป็นผลมาจากร่างกายได้รับความร้อนสูง ฮีตสโตรกอาจสร้างความเสียหายแก่สมองรวมถึงอวัยวะภายในอื่นๆ และอาจส่งผลถึงชีวิตได้ แม้ว่าส่วนใหญ่ผู้สูงอายุมีความเสี่ยงต่อการเกิดฮีตสโตรกมากกว่าวัยอื่น แต่ฮีตสโตรกยังสามารถเกิดกับคนอายุน้อยที่สุขภาพแข็งแรงได้ อาการฮีตโสตรกมักเกิดขึ้นร่วมกับอาการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสัมผัสอากาศร้อน เช่น การเกิดตะคริวจากอากาศร้อน หรือเป็นลมจากการอยู่กลางแจ้งเป็นเวลานาน เป็นต้น อย่างไรก็ตาม ร่างกายอาจเกิดอาการฮีตสโตรกได้ แม้ว่าไม่มีสัญญาณทางร่างกายใดๆ บ่งบอกล่วงหน้า อาการฮีตสโตรกเกิดจากการใช้เวลาท่ามกลางอากาศร้อนเป็นเวลานาน โดยทั่วไปมักมีภาวะร่างกายเสียน้ำร่วมด้วย ซึ่งส่งผลให้ศูนย์การควบคุมอุณหภูมิของร่างกายล้มเหลว ในทางการแพทย์จำกัดความอาการฮีตสโตรกไว้ว่า ภาวะที่อุณหภูมิแกนกลางของร่างกายมีค่าสูงเกิน 40 องศาเซลเซียส ซึ่งเกี่ยวข้องกับระบบประสาทส่วนกลาง มักเกิดขึ้นหลังจากร่างกายได้รับอุณหภูมิสูง อาการที่ปรากฏส่วนใหญ่คือ รู้สึกคลื่นไส้ ชักเกร็ง เวียนหัว ตาพร่า และบางรายอาจหมดสติและโคมา การดูแลรักษาเบื้องต้นสำหรับผู้มีอาการฮีตสโตรก หากคุณอยู่ในเหตุการณ์ที่ผู้ป่วยมีอาการฮีตสโตรก ควรโทรแจ้งโรงพยาบาล หรือหน่วยกู้ชีพทันที ในระหว่างรอเจ้าหน้าที่มาถึง ให้เคลื่อนย้ายผู้ป่วยไปยังบริเวณที่มีอากาศถ่ายเท หรือมีอากาศเย็น และอยู่ภายใต้ร่มเงา วิธีที่ช่วยลดอุณภูมิร่างกายผู้ป่วย – เช็ดตัวหรือทำให้ตัวผู้ป่วยเปียกด้วยน้ำ และเปิดพัดลมเพื่อช่วยระบายความร้อนออกทางผิวหนัง – ประคบด้วยน้ำแข็งในบริเวณข้อต่อหรือข้อพับต่างๆ และบริเวณลำคอ […]