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

ท่องอวกาศแบบ 360 องศา

ท่องอวกาศแบบ 360 องศา ร่วมเดินทางบินทะยานไปบนอวกาศพร้อมกับบรรดานักบินอวกาศตัวจริง ซึ่งเป็นครั้งแรกที่เนชั่นแนล จีโอกราฟฟิกถ่ายทอดประสบการณ์ในสภาวะไร้น้ำหนักแบบ 360 องศา ชมบรรยากาศการทำงานของนักบินบนสถานีอวกาศที่โคจรรอบโลกด้วยความเร็ว 17,000 ไมล์ต่อชั่วโมง และมอง “โลก” ดาวเคราะห์สีน้ำเงินดวงนี้ที่เราเรียกว่าบ้านในมุมมองที่เปลี่ยนไปจากเดิม เพราะนี่คือมุมมองจากสวรรค์ที่แท้จริง   อ่านเพิ่มเติม โรงแรมอวกาศพร้อมเปิดให้บริการในปี 2022 นี้

นักวิจัยไทย คิดค้นโปรตีนทางเลือกจากขนไก่

อาหารแห่งอนาคต หรือ Future food เป็นแนวโน้มเรื่องการศึกษาวิจัยมาตลอดช่วงไม่กี่ปี่ที่ผ่านมา บริษัทอาหารหลายแห่งกำลังเร่งศึกษานวัตกรรมด้านการผลิตอาหารเพื่ออนาคต เช่น โปรตีนทางเลือก เนื้อสัตว์ที่ปลูกจากห้องปฏิบัติการ และเนื้อสัตว์ที่ผลิตจากพืช ภายในบรรยากาศสบายและอบอุ่นในร้านอาหารแห่งหนึ่งภายในมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วันนี้เนชั่นแนล จีโอกราฟฟิก ฉบับภาษาไทย มีโอกาสพบกับ กัน-ศรวุฒิ กิตติบัณฑร นักศึกษาปริญญาโทด้าน Material Futures ที่สถาบัน Central Saint Martins กรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ ผู้แปรรูปขนไก่ซึ่งเป็นขยะเหลือทิ้งในอุตสาหกรรมอาหารและปศุสัตว์ ให้กลายมาเป็น โปรตีนทางเลือก หลังจากจบการศึกษาด้านสถาปัตยกรรม จากคณะสถาปัตยกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ และได้ทำงานในบริษัทเอกชนที่เกี่ยวข้องกับสาขานี้ เขาค้นพบตัวเองว่า เขาคือคนหนึ่งที่ชอบสร้างชิ้นงานจากสิ่งเล็กๆ แล้วไปประกอบเป็นภาพใหญ่ และนี่คือจุดเปลี่ยนทางความคิดที่อยากเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุศาสตร์ เพื่อสร้างความแตกต่างจากสถาปนิกคนอื่นๆ ศรวุฒิสนใจการทำวิจัยด้านวัสดุศาสตร์ จึงเลือกไปศึกษาต่อที่ประเทศอังกฤษที่เขาได้ศึกษาเรื่อง “การออกแบบวัสดุเพื่ออนาคต” จนมาพบขนไก่ซึ่งกลายเป็นวัสดุเหลือทิ้งจากโรงงานปศุสัตว์ และเป็นวัสดุที่กลายเป็นขยะมากที่สุดชนิดหนึ่งในลอนดอน ในช่วงแรก เขาตั้งใจนำขนไก่มาผลิตเป็นวัสดุเพื่อสร้างอาคาร ด้วยคุณสมบัติที่ขนไก่สามารถเก็บอุณหภูมิได้และมีความแข็งแรง แต่เนื่องจากมีงานวิจัยได้ศึกษาหัวข้อนี้ไปแล้วหลายฉบับ เขาจึงต้องเปลี่ยนหัวข้องานวิจัยไปในทิศทางอื่น “สาขาที่ผมเรียนเป็นการเรียนที่ประยุกต์หลายศาสตร์เข้าด้วยกันทั้งเรื่องการออกแบบ วิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยี” ศรวุฒิกล่าวและเสริมว่า “ดังนั้น การคิดหัวข้อวิจัยจึงต้องเกี่ยวโยงกับทั้งสามหัวข้อนี้ เพื่อให้เกิดเป็นผลงานขึ้นมา” […]

การผุพัง การกร่อน และการกัดเซาะ

การผุพัง (Weathering) คือ กระบวนการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางกายภาพของหินบนพื้นผิวโลก ไม่ว่าจะเป็นการแตกหัก ผุพัง หรือยุบสลายของหินจากปัจจัยต่าง ๆ ในธรรมชาติหรือจากการกระทำของมนุษย์ ซึ่งนับเป็นกระบวนการแรกเริ่มของการก่อกำเนิดดินและการเจริญงอกงามของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ  การผุพังสามารถจำแนกออกเป็น 2 ประเภท คือ 1. การผุพังทางกายภาพ (Mechanical Weathering) เป็นกระบวนการผุพังของหินที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของขนาดและรูปร่างภายนอก โดยไม่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในเนื้อหิน โดยมีสาเหตุจากปัจจัยต่าง ๆ เช่น  การกระทำของคลื่น ลม และการเคลื่อนที่ของธารน้ำแข็งตามแรงโน้มถ่วงของโลก ซึ่งทำให้เกิดการเสียดสีระหว่างกันจนเกิดการผุพังและแตกสลาย การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอากาศ ในช่วงกลางวันและกลางคืน ความแตกต่างของอุณหภูมิที่ส่งผลต่อการขยายตัวและการหดตัวของหิน รวมถึงการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำตามธรรมชาติ เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง ซึ่งก่อให้เกิดน้ำแข็งตามรอยแตกหรือรอยแยกของก้อนหิน สามารถสร้างแรงดันที่ส่งผลให้เกิดการขยายตัวของรอยแตกร้าวและการผุพังได้ง่าย การกระทำของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ทั้งจากพืช สัตว์ และมนุษย์ เช่น การเจริญเติบโตของพืชบนรอยแตกของหิน การขุดเจาะของสัตว์หรือกิจกรรมต่าง ๆ ของมนุษย์   2. การผุพังทางเคมี (Chemical Weathering) เป็นกระบวนการผุพังของหิน จากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายใน โดยอาศัยการทำปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างแร่ธาตุภายในหินและปัจจัยต่าง ๆ ในธรรมชาติ […]

โคอาลากินใบยูคาลิปตัสได้อย่างไร? โดยไม่ได้รับสารพิษ

ทีมนักวิจัยชั้นนำจากทั่วโลกร่วมกันวิเคราะห์ลำดับจีโนมของโคอาลา เพื่อช่วยแก้ไขปัญหาสุขภาพ และอนุรักษ์ประชากรของพวกมันไว้