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

ยานอินไซต์ตรวจจับแผ่นดินไหวบนดาวอังคารได้เป็นครั้งแรก

นี่คือภาพวาดของยานอินไซต์บนดาวอังคาร องค์กรอวกาศประกาศว่ายานอาจตรวจจับการแรงสั่นสะเทือนบนดาวเคราะห์สีแดง หรือ แผ่นดินไหวบนดาวอังคาร ซึ่งบันทึกได้เป็นครั้งแรก ภาพวาดโดย NASA/JPL-CALTECH นี่คือการสั่นสะเทือนของแผ่นดินครั้งแรกบนดาวเคราะห์สีแดงอย่างที่สามารถบันทึกได้ และแน่นอนว่า นี่คงไม่ใช่ครั้งสุดท้าย ยานอินไซต์ (Insight Lander) ได้ตรวจจับบันทึกเหตุการณ์แผ่นดินไหวบนดาวอังคารได้เป็นครั้งแรก ซึ่งก่อให้เกิด “แรงสั่นสะเทือน” ต่อบรรดานักวิทยาแผ่นดินไหวที่อยู่ห่างไปราว 16 ล้านกิโลเมตร และเป็นการเริ่มต้นยุคใหม่ของการศึกษาดาวเคราะห์สีแดงดวงนี้ สัญญาณอันแผ่วเบาที่ถูกตรวจจับได้เมื่อวันที่ 6 เมษายน ที่ผ่านมา คือการสั่นสะเทือนซึ่งเหล่านักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเกิดจากบริเวณภายในของดาวอังคาร (Martian interior) มากกว่าแรงบนพื้นผิว (Surface forces) อย่างเช่นกระแสลม อย่างไรก็ตาม นักวิจัยยังคงศึกษาข้อมูลเพื่อหาแหล่งกำเนิดของแผ่นดินไหวที่แม่นยำกว่านี้ (รับฟังคลื่นเสียงที่คาดว่าเป็นแผ่นดินไหวบนดาวอังคารที่ยานอินไซต์ตรวจจับได้ที่นี่) คลื่นที่ถูกตรวจจับได้นั้นมีขนาดเล็ก อาจเปรียบได้กับแผ่นดินไหวบนโลกที่ระดับ 2 หรือ 2.5 แมกนิจูด ซึ่งแทบไม่สามารถรู้สึกได้เลยบนพื้นผิวโลก แต่การสั่นสะเทือนนี้ได้สร้างช่วงเวลาที่สำคัญกับบรรดานักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานร่วมกับยานอินไซต์ที่รอคอยวันนี้มานับตั้งแต่การติดตั้งเครื่องมือที่ใช้ตรวจวัดคลื่นแผ่นดินไหว (Seimometer) ไปกับตัวยานเมื่อเดือนธันวาคม ปี 2018 และได้เริ่มช่วงต้นเวลาของการสังเกตเมื่อหลายสัปดาห์ที่ผ่านมา “ผมไล่ตามแผ่นดินไหวบน ดาวอังคาร ครั้งนี้มาเกือบ 30 ปี นี่เป็นช่วงจุดสูงสุดของชีวิตในการทำงานที่ผมตามหามานาน” – บรูซ […]

ภาพถ่ายดาวเสาร์ภาพท้ายๆ จากยานกัสซีนี

ภาพถ่ายดาวเสาร์ภาพท้ายๆ จากยานกัสซีนี แพซาดินา, แคลิฟอร์เนีย ไม่กี่ชั่วโมงก่อนรุ่งเช้า (ตามเวลาท้องถิ่นสหรัฐฯ) ของวันศุกร์ที่ 15 กันยายน 2017 ยานกัสซีนี (Cassini) ขององค์การนาซามุ่งหน้าสู่จุดหมายปลายทางสุดท้ายที่มันใช้เวลาสำรวจอยู่นานถึง 13 ปี นั่นคือดาวเสาร์ ขณะที่ยานมุ่งหน้าสู่ดาวเสาร์จุดหมายปลายทาง นักวิทยาศาสตร์ในศูนย์ควบคุมภารกิจที่ห้องปฏิบัติการเครื่องยนต์ขับดัน (Jet Propulsion Laboratory) ในเมืองแพซาดินา ต่างจับตาดูเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น แน่นอนว่า พวกเขารู้ตอนจบของเรื่องทั้งหมด หลังจากใช้เวลาสำรวจดาวเสาร์และดวงจันทร์บริวารอยู่นานกว่าสิบปี ยานกัสซีนีก็มุ่งหน้าเข้าสู่บรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงนั้น เก็บรวบรวมข้อมูลและส่งกลับมายังโลกให้นานที่สุดเท่าที่จะทำได้ จากนั้น จรวดขับดันของยานก็เริ่มล้มเหลวจากแรงกระทำมหาศาลของแรงโน้มถ่วงและการเสียดสีกับบรรยากาศ ยานเริ่มหมุนคว้าง สูญเสียการติดต่อกับโลก ก่อนจะสิ้นเสียงไปตลอดกาล ณ เวลาราว 04.55น. ตามเวลาในสหรัฐฯ แม้นักวิทยาศาสตร์จะไม่สามารถสังเกตการณ์จุดจบนี้ได้ พวกเขาก็รู้ว่าภายในหนึ่งหรือสองนาทีหลังสัญญาณจากยานกัสซีนีขาดหายไป ดาวเสาร์จะฉีกยานออกเป็นชิ้นๆ และลุกไหม้ผ่านบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงนั้น ไม่ต่างอะไรจากดาวตกที่พาดผ่านฟากฟ้า จุดจบนั้นสั้นและรวดเร็ว ยานกัสซีนีที่ช่วยสร้างความกระจ่างมากมายเกี่ยวกับดาวเสาร์ ได้กลายเป็นอดีตอย่างสวยงาม ย้อนหลังไปเมื่อปี 2004 ยานกัสซีนีเริ่มสำรวจระบบดาวเสาร์และดวงจันทร์บริวาร ตลอดระยะเวลา 13 ปี กัสซีนีส่งภาพกลับมายังโลกมากกว่า 450,000 ภาพ ยานกัสซีนียังปล่อยยานลงจอด (lander) […]

ระบบประสาทส่วนกลาง (Central Nervous System)

ในช่วงพัฒนาการทางร่างกายของมนุษย์ ระบบประสาท (Nervous System) เป็นระบบแรกที่พัฒนาขึ้นมาหลังกระบวนการปฏิสนธิของสเปิร์มและไข่ ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของอวัยวะต่างๆภายในร่างกาย รวมถึงการรับรู้และการตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก ระบบประสาทของมนุษย์แบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ ระบบประสาทส่วนกลาง (Central Nervous System: CNS) และระบบประสาทส่วนปลาย (Peripheral Nervous System: PNS) ระบบประสาทส่วนกลาง (Central Nervous System) คือระบบศูนย์กลางการควบคุมการทำงานของร่างกาย ทั้งด้านกลไกการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อโครงร่างและกระดูก รวมถึงการตอบสนองทางปฏิกิริยาเคมีภายใต้อำนาจของจิตใจ ประกอบด้วยเส้นประสาทจำนวนหลายล้านเส้น ทำหน้าที่จัดส่งข้อมูลในรูปของกระแสประสาทจากศูนย์กลางการควบคุม ซึ่งประกอบด้วยอวัยวะสำคัญ 2 ส่วน คือ สมองและไขสันหลังที่ทำงานร่วมกันผ่านเซลล์ประสาท มีหน้าที่ประสานงานการรับและส่งข้อมูล หรือกระแสประสาท จากทุกส่วนของร่างกาย องค์ประกอบของระบบประสาทส่วนกลาง 1. สมอง (Brain) เป็นศูนย์กลางการควบคุมและการสั่งการของระบบภายในร่างกายทั้งหมด ทั้งควบคุมการเคลื่อนไหว การแสดงออกด้านพฤติกรรม รวมไปถึงการรักษาสมดุลภายในร่างกาย อีกทั้งสมองยังเป็นแหล่งที่มาของความสามารถทางด้านสติปัญญา ความคิด ความรู้สึก และการแสดงออกทางด้านอารมณ์ของสิ่งมีชีวิต ไม่ว่าจะเป็นการรับรู้ การจดจำ การใช้เหตุผล และการตัดสินใจ การเจริญเติบโตและพัฒนาการของสมองมนุษย์เริ่มขึ้นตั้งแต่ระยะตัวอ่อนภายในครรภ์มารดา […]

เมื่อ หุ่นยนต์ แทนที่มนุษย์

ถ้าคุณเป็นเหมือนคนส่วนใหญ่ คุณอาจไม่มีวันได้เจอ หุ่นยนต์ แต่คุณจะได้เจอ ผมเจอ หุ่นยนต์ ตัวหนึ่งในวันฟ้าใสและลมแรงเมื่อเดือนมกราคมที่ผ่านมา บนทุ่งหญ้าแพรรีต้นสั้นๆ ใกล้พรมแดนรัฐโคโลราโดกับรัฐแคนซัส ที่บริษัทของโนอาห์ เรดดี-แคมป์เบลล์ ชายร่างผอมเพรียว วัย 31 ปีจากแซนแฟรนซิสโก เมื่อมองไปทางใต้ เราเห็นกังหันลมทอประกายวาววับเป็นทิวแถว ทอดไกลสุดสายตา เบื้องหน้าผมคือหลุมที่กำลังจะเป็นฐานของกังหันลมอีกตัว เรื่อง เดวิด แบร์เรบี ภาพถ่าย สเปนเซอร์ โลวล์ รถแบ็กโฮกำลังขุดหลุมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 19 เมตร ซึ่งมีผนังลาดขึ้นทำมุม 34 องศา และมีก้นลึกสามเมตรที่เกือบเรียบสนิท มันตักดินขึ้นมากองไว้ตรงจุดที่ไม่เกะกะ และจะเริ่มกองใหม่  เมื่อจำเป็น ทุกครั้งที่กดหัวตักลง ขุด ยก หมุน และเท เครื่องจักรหนัก 37 ตันต้องใช้การควบคุมที่มั่นคงและการตัดสินใจที่ดี ในอเมริกาเหนือ คนบังคับรถขุดเก่งๆมีรายได้สูงถึงปีละ 100,000 ดอลลาร์สหรัฐ แต่ที่นั่งในรถขุดคันนี้กลับว่างเปล่า “คนสั่งการ” อยู่บนหลังคาห้องควบคุม มันไม่มีแขน แต่มีสายเคเบิลสีดำคดเคี้ยวสามสายเชื่อมต่อกับระบบควบคุมรถโดยตรง หูหรือตาก็ไม่มีเช่นกัน เพราะใช้ระบบเลเซอร์ จีพีเอส […]