و حجم معين هو خاصية مميزة مكثفة من كل عنصر أو مادة. يتم تعريفه رياضيًا على أنه العلاقة بين الحجم المشغول بكمية معينة من المادة (كيلوغرام أو غرام) ؛ بعبارة أخرى ، إنها المعاملة بالمثل للكثافة.
تشير الكثافة إلى مقدار وزن 1 مل من المادة (سائل ، صلب ، غازي ، أو خليط متجانس أو غير متجانس) ، بينما يشير الحجم المحدد إلى الحجم الذي يشغله 1 جم (أو 1 كجم) منه. وبالتالي ، بمعرفة كثافة مادة ما ، يكفي حساب المعاملة بالمثل لتحديد حجمها المحدد.
إلى ماذا تشير كلمة "محدد"؟ عندما يقال إن أي خاصية محددة ، فهذا يعني أنه يتم التعبير عنها كدالة للكتلة ، مما يسمح بتحويلها من خاصية واسعة (التي تعتمد على الكتلة) إلى خاصية مكثفة (مستمرة في جميع نقاط النظام).
الوحدات التي يتم التعبير عن الحجم المحدد بها عادة هي (م 3 / كغ) أو (سم 3 / جم). ومع ذلك ، على الرغم من أن هذه الخاصية لا تعتمد على الكتلة ، إلا أنها تعتمد على متغيرات أخرى ، مثل درجة الحرارة أو الضغط الحادث على المادة. يؤدي هذا إلى احتلال غرام واحد من المادة حجمًا أكبر في درجات الحرارة المرتفعة.
من الماء
في الصورة الأولى ، يمكنك أن ترى قطرة ماء على وشك الاختلاط بسطح السائل. لأنها مادة طبيعية ، تحتل كتلتها حجمًا مثل أي مادة أخرى. هذا الحجم العياني هو نتاج الحجم وتفاعلات جزيئاته.
جزيء الماء له الصيغة الكيميائية H 2 O ، مع كتلة جزيئية تقارب 18 جم / مول. تعتمد الكثافات التي تقدمها أيضًا على درجة الحرارة ، ويعتبر توزيع جزيئاتها على نطاق واسع متجانسًا قدر الإمكان.
مع قيم الكثافة ρ عند درجة حرارة T ، يكفي لحساب الحجم المحدد للماء السائل تطبيق الصيغة التالية:
ت = (1 / ρ)
يتم حسابه من خلال التحديد التجريبي لكثافة الماء باستخدام مقياس دوران المياه ثم إجراء الحساب الرياضي. لأن جزيئات كل مادة تختلف عن بعضها البعض ، وكذلك الحجم المحدد الناتج.
إذا كانت كثافة الماء على مدى درجة حرارة واسعة 0.997 كجم / م 3 ، فإن حجمه المحدد هو 1.003 م 3 / كجم.
من الجو
الهواء عبارة عن خليط غازي متجانس ، يتكون بشكل أساسي من النيتروجين (78٪) ، يليه الأكسجين (21٪) وأخيراً الغازات الأخرى في الغلاف الجوي للأرض. كثافته هي تعبير مجهري عن كل هذا الخليط من الجزيئات ، التي لا تتفاعل بكفاءة وتنتشر في جميع الاتجاهات.
نظرًا لأنه يُفترض أن تكون المادة مستمرة ، فإن انتشارها في حاوية لا يغير تركيبتها. مرة أخرى ، من خلال قياس الكثافة في الظروف الموصوفة لدرجة الحرارة والضغط ، يمكن للمرء تحديد الحجم الذي يشغله 1 جم من الهواء.
نظرًا لأن الحجم المحدد هو 1 / ρ ، و ρ أصغر من حجم الماء ، فإن حجمه المحدد أكبر.
يعتمد تفسير هذه الحقيقة على التفاعلات الجزيئية بين الماء والهواء ؛ الأخير ، حتى في حالة الرطوبة ، لا يتكثف إلا إذا تعرض لدرجات حرارة شديدة البرودة وضغوط عالية.
من البخار
في ظل نفس الظروف ، هل سيحتل جرام من البخار حجمًا أكبر من جرام من الهواء؟ يكون الهواء أكثر كثافة من الماء في المرحلة الغازية ، لأنه خليط من الغازات المذكورة أعلاه ، على عكس جزيئات الماء.
نظرًا لأن الحجم المحدد هو معكوس الكثافة ، فإن جرامًا من البخار يحتل حجمًا أكبر (أقل كثافة) من جرام من الهواء.
تعتبر الخصائص الفيزيائية للبخار كسوائل ضرورية في العديد من العمليات الصناعية: المبادلات الحرارية الداخلية لزيادة الرطوبة والآلات النظيفة وغيرها.
هناك العديد من المتغيرات التي يجب أخذها في الاعتبار عند التعامل مع كميات كبيرة من البخار داخل الصناعات ، وخاصة فيما يتعلق بميكانيكا السوائل.
نتروجين
مثل باقي الغازات ، تعتمد كثافتها بشكل كبير على الضغط (على عكس المواد الصلبة والسوائل) وعلى درجة الحرارة. وبالتالي ، تختلف قيم حجمها المحدد وفقًا لهذه المتغيرات. ومن هنا تأتي الحاجة إلى تحديد حجمه المحدد للتعبير عن النظام من حيث الخصائص المكثفة.
بدون القيم التجريبية ، من خلال التفكير الجزيئي ، من الصعب مقارنة كثافة النيتروجين مع كثافة الغازات الأخرى. جزيء النيتروجين خطي (N≡N) وجزيء الماء زاوي.
نظرًا لأن "الخط" يشغل حجمًا أقل من "ذراع الرافعة" ، فمن المتوقع أن يكون النيتروجين أكثر كثافة من الماء من خلال تعريف الكثافة (m / V). باستخدام كثافة 1.2506 كجم / م 3 ، يكون الحجم المحدد في الظروف التي تم فيها قياس هذه القيمة هو 0.7996 م 3 / كجم ؛ إنها ببساطة المعاملة بالمثل (1 / ρ).
من الغاز المثالي
الغاز المثالي هو الغاز الذي يخضع للمعادلة:
P = nRT / V.
يمكن ملاحظة أن المعادلة لا تأخذ في الاعتبار أي متغير مثل التركيب الجزيئي أو الحجم ؛ كما أنها لا تنظر في كيفية تفاعل جزيئات الغاز مع بعضها البعض في فضاء يحدده النظام.
في نطاق محدود من درجات الحرارة والضغط ، "تتصرف" جميع الغازات بالطريقة نفسها ؛ لهذا السبب ، من الصحيح إلى حد ما افتراض أنهم يطيعون معادلة الغاز المثالية. وبالتالي ، من هذه المعادلة ، يمكن تحديد العديد من خصائص الغازات ، بما في ذلك الحجم المحدد.
لحلها ، من الضروري التعبير عن المعادلة من حيث متغيرات الكثافة: الكتلة والحجم. يتم تمثيل الشامات بالرمز n ، وهذه نتيجة قسمة كتلة الغاز على كتلته الجزيئية (m / M).
بأخذ الكتلة المتغيرة m في المعادلة ، إذا تم تقسيمها على الحجم ، يمكن الحصول على الكثافة ؛ من هنا يكفي مسح الكثافة ثم "قلب" طرفي المعادلة. من خلال القيام بذلك ، يتم تحديد الحجم المحدد أخيرًا.
توضح الصورة أدناه كل خطوة من الخطوات للوصول إلى التعبير النهائي للحجم المحدد للغاز المثالي.
المراجع
- ويكيبيديا. (2018). حجم معين. مأخوذة من: en.wikipedia.org
- Study.com. (21 أغسطس 2017). ما هو الحجم المحدد؟ - التعريف والصيغة والوحدات مأخوذة من: study.com
- وعاء. (5 مايو 2015). حجم معين. مأخوذة من: grc.nasa.gov
- مايكل جيه موران وهوارد إن شابيرو. (2004). أساسيات الديناميكا الحرارية الفنية. (الطبعة الثانية). عودة افتتاحية ، صفحة 13.
- الوحدة 1: مفاهيم الديناميكا الحرارية.. مأخوذة من: 4.tecnun.es
- TLV. (2018). التطبيقات الرئيسية لـ Steam. مأخوذة من: tlv.com