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

ไขปริศนาเลือดข้นคนจาง “ยาจีน” ลึกลับในถ้วยคือ?

ในประวัติศาสตร์ที่ผ่านมา ผู้คนในหลายวัฒนธรรมรู้จักนำประโยชน์ของสมุนไพรที่มีฤทธิ์ขับเลือด หรือฤทธิ์ระบาย มาใช้เพื่อกำจัดเด็กที่พวกเขาไม่ต้องการให้เกิดมา

ฉลามหัวบาตร (Bull shark)

ฉลามหัวบาตร ผู้ล่าที่กลับมาปรากฏบนหน้าสื่ออีกครั้ง หลังจากการจู่โจมนักท่องเที่ยวที่กำลังว่ายน้ำในจังหวัดพังงา แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ได้ระบุชนิดพันธุ์ของปลาฉลามที่พบบนโลกนี้มากกว่า 500 ชนิด แต่มีเพียงสามชนิดเท่านั้นที่มีรายงานการทำร้ายมนุษย์ ได้แก่ ฉลามขาว (Carcharodon carcharias) ฉลามเสือ (Galeocerdo cuvier) และ ฉลามหัวบาตร (Carcharhinus leucas) ในแง่ชีววิทยาจากคำกล่าวของผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวกับฉลามหัวบาตร จัดว่าเป็นปลาฉลามที่อันตรายที่สุด เนื่องจากมีถิ่นที่อยู่อาศัยตามชายฝั่งที่ความลึกประมาณ 30 เมตร ซึ่งสามารถพบเจอกับมนุษย์ได้ง่าย “ปลาฉลามหัวบาตรอาศัยอยู่ในเขตน้ำตื้น ซึ่งหมายความว่ามีโอกาสอยู่ใกล้กับแหล่งกิจกรรมของมนุษย์ และพบเจอกับมนุษย์ที่กำลังว่ายน้ำในบริเวณนั้น” จอร์จ เบอร์จีส์ ผู้รวบรวมเหตุการณ์ปลาฉลามจู่โจมมนุษย์ ที่พิพิธภัณฑ์ธรรมชาติวิทยาในเกนส์วิลล์ กล่าว ปลาฉลามหัวบาตรสามารถปรับตัวให้อยู่ในน้ำจืดได้ บางครั้งพบในแม่น้ำใหญ่ที่ห่างจากทะเลนับร้อยกิโลเมตร เช่นแม่น้ำมิสซิสซิปปี แม่น้ำแอมะซอน แม่น้ำแซมบีซี แม่น้ำไทกริส  แม่น้ำแยงซี ทะเลสาบนิคารากัว โดยปลาฉลามชนิดนี้มักว่ายเข้ามาจากปากแม่น้ำที่ติดต่อกับทะเล มีรายงานพบอยู่ห่างจากทะเลมากที่สุด คือแม่น้ำแอมะซอนในทวีปอเมริกาใต้ ปลาฉลามหัวบาตรมีระบบการรักษาสมดุลเกลือในร่างกายที่สามารถปรับตัวให้อาศัยอยู่ในน้ำจืดได้ ด้วยต่อมบริเวณทวารหนักที่ทำหน้าที่เหมือนวาล์วเปิดปิดปัสสาวะ คอยควบคุมปริมาณเกลือให้สมดุลกับร่างกาย อีกทั้งการที่มีส่วนหัวขนาดใหญ่ทำให้ได้เปรียบกว่าปลาฉลามกินเนื้อชนิดอื่นๆ ด้วยการที่มีรูรับประสาทสัมผัสที่ส่วนจมูกมากกว่า ทำให้ปลาฉลามหัวบาตรรับรู้สนามไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี จนสามารถรับรู้ได้ถึงเสียงหัวใจเต้นของมนุษย์ได้ อย่างไรก็ตาม ฉลามหัวบาตรยังไม่สามารถใช้ชีวิตได้อย่างสมบูรณ์ในน้ำจืด ยังคงต้องรับน้ำเค็มในบริเวณปากแม่น้ำเป็นระยะ กลยุทธ์การล่าอย่างหนึ่งของฉลามหัวบาตรคือว่ายวนอยู่ในบริเวณที่น้ำขุ่นและซุ่มโจมตี เนื่องจากเหยื่อที่อาศัยอยู่ในน้ำมีทัศนวิสัยไม่ชัดเจน […]

ดำดิ่งสู่การทำงานของสมอง

ดำดิ่งสู่”การทำงานของสมอง” นักวิทยาศาสตร์กำลังเรียนรู้อะไรมากมายเกี่ยวกับ การทำงานของสมอง จนหลายคนอาจหลงลืมไปว่าเพียงก่อนหน้านี้ไม่นานเรายังไม่เข้าใจเลยแม้แต่น้อยว่า สมองทำงานอย่างไรหรือสมองคืออะไร แพทย์ในยุคกรีก-โรมันโบราณเชื่อว่าสมองทำมาจากเสมหะ อาริสโตเติลมองสมองเป็นเหมือนตู้เย็นที่ทำให้หัวใจอันร้อนรุ่มเย็นลง จากยุคนั้นจนถึงสมัยฟื้นฟูศิลปวิทยา นักกายวิภาคศาสตร์ประกาศว่า การรับรู้ อารมณ์ การใช้เหตุผล และการกระทำต่างๆ ล้วนเป็นผลมาจาก “วิญญาณสัตว์” หรือไอลึกลับที่ไหลเวียนผ่านโพรงในศีรษะและกระจายไปทั่วร่างกาย การปฏิวัติวิทยาศาสตร์ในศตวรรษที่สิบเจ็ดทำให้แนวคิดดังกล่าวเปลี่ยนไป โทมัส วิลลิส แพทย์ชาวอังกฤษตระหนักว่า เนื้อเยื่อสมองคือที่ตั้งของกิจกรรมทางจิตใจทั้งปวง เขาศึกษาการทำงานของสมองโดยผ่าสมองแกะ สุนัข และผู้ป่วยที่เสียชีวิต และสร้างแผนที่สมองที่มีความถูกต้องแม่นยำทางกายวิภาคครั้งแรก เวลาล่วงเลยมาอีกหนึ่งศตวรรษกว่าที่เราจะทราบว่าสมองทำงานโดยอาศัยอิมพัลส์หรือพลังผลักดันในรูปกระแสไฟฟ้า แทนที่จะเป็นวิญญาณสัตว์ แรงดันไฟฟ้า (voltage) เคลื่อนที่ไปทั่วสมองและเดินทางออกมายังระบบประสาทของร่างกาย แม้กระทั่งในศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ก็ยังมีความรู้เกี่ยวกับเส้นทางของใยประสาทน้อยมาก กามิลโล กอลจี นายแพทย์ชาวอิตาลีชี้ว่า สมองเป็นเหมือนโครงข่ายเส้นใยที่เชื่อมต่อกันอย่างไร้ตะเข็บ ชมการทำงานของสมองแบบชัดๆ  ซานเตียโก รามองอี กาฆาล นักวิทยาศาสตร์ชาวสเปน สานต่องานวิจัยของกอลจีโดยทดสอบเทคนิคใหม่ในการย้อมสีเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์เพื่อตามรอยแขนงเซลล์อันซับซ้อน เขาพบว่า เซลล์ประสาทเป็นเซลล์ที่มีลักษณะเฉพาะแยกจากเซลล์อื่นๆ เซลล์ประสามส่งสัญญาณไปตามเส้นใยที่เรียกว่า ใยประสาทขาออก (axon) มีช่องว่างเล็กๆ คั่นระหว่างปลายของใยประสาทขาออกกับปลายรับของเซลล์ประสาทที่เรียกว่า ใยประสาทขาเข้า (dendrite) นักวิทยาศาสตร์ค้นพบในภายหลังว่า ใยประสาทขาออกปล่อยสารเคมีหลายตัวเข้าไปในช่องว่างเพื่อกระตุ้นให้เกิดสัญญาณประสาทในเซลล์ประสาทที่อยู่ติดกัน   […]