घनत्व (डेंसिटी)

Density
एक परखनली जिसमें विभिन्न घनत्वों वाले चार गैर मिश्रणीय रंगीन तरल होते हैं
सामान्य प्रतीक	ρ, D
Si   इकाई	kg/m3
व्यापक?	No
गहन?	Yes
संरक्षित?	No
अन्य मात्राओं से व्युत्पत्तियां	$\rho ={\frac {m}{V}}$
आयाम

घनत्व (आयतन द्रव्यमान घनत्व या विशिष्ट द्रव्यमान) पदार्थ का प्रति इकाई आयतन का द्रव्यमान है। घनत्व के लिए सबसे अधिक प्रयोग किया जाने वाला प्रतीक ρ (लोअरकेस ग्रीक अक्षर rho) है, हालांकि लैटिन अक्षर D का भी उपयोग किया जा सकता है। गणितीय रूप से, घनत्व को आयतन द्वारा विभाजित द्रव्यमान के रूप में परिभाषित किया जाता है:

$\rho ={\frac {m}{V}}$

जहाँ ρ घनत्व है, m द्रव्यमान है, और V आयतन है। कुछ विषयो में (उदाहरण के लिए, संयुक्त राज्य अमेरिका के तेल और गैस उद्योग में), घनत्व को प्रति इकाई आयतन के वजन के रूप में परिभाषित किया जाता है, हालांकि यह वैज्ञानिक रूप से गलत है - इस मात्रा को विशेष रूप से विशिष्ट वजन कहा जाता है।

शुद्ध पदार्थ के लिए, घनत्व का वही संख्यात्मक मान होता है, जो उसकी द्रव्यमान सांद्रता का होता है। विभिन्न पदार्थों में सामान्यतया अलग-अलग घनत्व होते हैं, और घनत्व उछाल, शुद्धता और पैकेजिंग से संबंधित हो सकता है। ओस्मियम और इरिडियम तापमान और दबाव के लिए मानक परिस्थितियों में सबसे घने ज्ञात तत्व हैं।

इकाइयों की विभिन्न प्रणालियों में घनत्व की तुलना को सरल बनाने के लिए, इसे कभी-कभी आयामहीन मात्रा "सापेक्ष घनत्व" या "विशिष्ट गुरुत्व" द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, अर्थात पदार्थ के घनत्व का अनुपात मानक पदार्थ, सामान्यतया पानी से होता है। इस प्रकार पानी के सापेक्ष एक से कम सापेक्षिक घनत्व का अर्थ है कि पदार्थ पानी में तैरता है।

किसी पदार्थ का घनत्व तापमान और दबाव के साथ बदलता रहता है। ठोस और तरल पदार्थों के लिए यह भिन्नता सामान्य रूप में छोटी होती है लेकिन गैसों के लिए बहुत अधिक होती है। किसी वस्तु पर दबाव बढ़ाने से वस्तु का आयतन कम हो जाता है और इस प्रकार उसका घनत्व बढ़ जाता है। किसी पदार्थ का तापमान बढ़ाने (कुछ अपवादों को छोड़कर) उसका आयतन बढ़ाकर उसका घनत्व घटा देता है। अधिकांश पदार्थों में, तरल पदार्थ के तल को गर्म करने से गर्म तरल पदार्थ के घनत्व में कमी के कारण ऊष्मा का संवहन नीचे से ऊपर की ओर होता है, जिसके कारण यह सघनता से रहित पदार्थ के सापेक्ष बढ़ जाता है।

किसी पदार्थ के घनत्व के व्युत्क्रम को उसका विशिष्ट आयतन कहा जाता है, कभी-कभी यहऊष्मप्रवैगिकी में प्रयुक्त होने वाला शब्द है। घनत्व एक गहन संपत्ति है जिसमें किसी पदार्थ की मात्रा बढ़ने से उसका घनत्व नहीं बढ़ता है; बल्कि यह अपने द्रव्यमान को बढ़ाता है।

अन्य संकल्पनात्मक रूप से तुलनीय मात्राओं या अनुपातों में विशिष्ट घनत्व, सापेक्षिक घनत्व|सापेक्ष घनत्व (विशिष्ट गुरुत्व), और विशिष्ट वजन सम्मिलित हैं।

इतिहास

एक प्रसिद्ध लेकिन संभवतया काल्पनिक कहानी में, आर्किमिडीज़ को यह निर्धारित करने का काम दिया गया था कि क्या राजा हिरो का सुनार देवताओं को समर्पित एक स्वर्ण माला के निर्माण के दौरान सोने का गबन कर रहा था और इसे दूसरे, सस्ते मिश्रधातु से बदल रहा था। आर्किमिडीज़ जानते थे कि अनियमित आकार की माला को एक घन में कुचला जा सकता है जिसकी मात्रा की गणना और द्रव्यमान के साथ तुलना सरलता से की जा सकती है; लेकिन राजा को यह मंजूर नहीं था। चकित, कहा जाता है कि आर्किमिडीज ने एक विसर्जन स्नान किया था और प्रवेश करने पर पानी का उदय देखा ताकि वह पानी के विस्थापन के माध्यम से सोने के मनकों की मात्रा की गणना कर सके। यह पता चलने पर, वह अपने स्नान से बाहर निकला और चिल्लाया "यूरेका! यूरेका!" (Εύρηκα! ग्रीक "मैंने इसे पाया है")। नतीजतन, "यूरेका" शब्द आम बोलचाल में प्रवेश कर गया और आज इसका उपयोग ज्ञान के क्षण को इंगित करने के लिए किया जाता है।

कहानी पहली बार विटरुवियस की वास्तुकला की किताबों में लिखित रूप में दिखाई दी, इसके दो शताब्दियों के बाद माना जाता है। कुछ विद्वानों ने इस कहानी की सटीकता पर संदेह किया है, यह कहते हुए कि इस पद्धति के लिए सटीक माप की आवश्यकता होगी जो उस समय बनाना कठिन होगा।

घनत्व का मापन

पदार्थ के घनत्व के मापन के लिए कई तकनीकों के साथ-साथ मानक भी उपस्थित हैं। इस तरह की तकनीकों में एक हाइड्रोमीटर (तरल पदार्थ के लिए एक उछाल विधि), हाइड्रोस्टेटिक संतुलन (तरल और ठोस पदार्थों के लिए एक उछाल विधि), निमग्न शरीर की विधि (तरल पदार्थ के लिए एक उछाल विधि), पाइकोनोमीटर (तरल पदार्थ और ठोस), हवा की तुलना पाइकोनोमीटर ( ठोस), ऑसिलेटिंग डेंसिटोमीटर (तरल पदार्थ), साथ ही मूसलाधार और टैप करना (ठोस) है। हालाँकि, प्रत्येक व्यक्तिगत विधि या तकनीक विभिन्न प्रकार के घनत्व (जैसे थोक घनत्व, कंकाल घनत्व, आदि) को मापती है, और इसलिए घनत्व के प्रकार के साथ-साथ प्रश्न में पदार्थ के प्रकार को समझना आवश्यक है।

यूनिट

घनत्व के समीकरण से (ρ = m/V), द्रव्यमान घनत्व की कोई भी इकाई होती है जो द्रव्यमान को आयतन से विभाजित करती है। चूँकि द्रव्यमान और आयतन की कई इकाइयाँ हैं जो कई अलग-अलग परिमाणों को कवर करती हैं, इसलिए उपयोग में द्रव्यमान घनत्व के लिए बड़ी संख्या में इकाइयाँ हैं। किलोग्राम प्रति घन मीटर (kg/m³) की SI इकाई और ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर (g/cm³) की cgs इकाई संभवतः घनत्व के लिए सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली इकाइयाँ हैं। 1 g/cm³ 1000 kg/m³ के बराबर है। एक घन सेंटीमीटर (संक्षिप्त नाम सीसी) एक मिलीलीटर के बराबर है। उद्योग में, द्रव्यमान और या आयतन की अन्य बड़ी या छोटी इकाइयाँ अक्सर अधिक व्यावहारिक होती हैं, और अमेरिकी प्रथागत इकाइयाँ उपयोग की जा सकती हैं। घनत्व की सबसे सामान्य इकाइयों में से कुछ की सूची के लिए नीचे देखें।

सजातीय पदार्थ

समरूप वस्तु के सभी बिंदुओं पर घनत्व उसके कुल द्रव्यमान को उसके कुल आयतन से विभाजित करने के बराबर होता है। द्रव्यमान को सामान्य रूप से एक पैमाने या संतुलन से मापा जाता है; आयतन को सीधे (वस्तु की ज्यामिति से) या किसी तरल पदार्थ के विस्थापन द्वारा मापा जा सकता है। एक तरल या गैस के घनत्व को निर्धारित करने के लिए, एक हाइड्रोमीटर, डेसीमीटर या कोरिओलिस फ्लो मीटर का क्रमशः उपयोग किया जा सकता है। इसी तरह, वस्तु के घनत्व को निर्धारित करने के लिए जलमग्न वस्तु के कारण हाइड्रोस्टेटिक वजन पानी के विस्थापन का उपयोग करता है।

विषम पदार्थ

यदि पिण्ड सजातीय नहीं है, तो इसका घनत्व वस्तु के विभिन्न क्षेत्रों के बीच भिन्न होता है। उस विषय में किसी दिए गए स्थान के आस-पास घनत्व उस स्थान के आसपास की छोटी मात्रा की घनत्व की गणना करके निर्धारित किया जाता है। एक अतिसूक्ष्म आयतन की सीमा में एक बिंदु पर एक विषम वस्तु का घनत्व हो जाता है: $\rho ({\vec {r}})=dm/dV$, जहाँ पे $dV$ स्थिति में एक प्रारंभिक मात्रा है $r$. शरीर के द्रव्यमान को तब व्यक्त किया जा सकता है

$m=\int _{V}\rho ({\vec {r}})\,dV.$

गैर-कॉम्पैक्ट पदार्थ

व्यवहार में, थोक पदार्थ जैसे चीनी, रेत, या बर्फ में आवाजें होती हैं। कई सामग्रियां प्रकृति में गुच्छे, छर्रों या दानों के रूप में उपस्थित हैं।

रिक्तियां, वे क्षेत्र हैं जिनमें माना पदार्थ के अतिरिक्त कुछ और होता है। प्रायः शून्य हवा है, लेकिन यह वैक्यूम, तरल, ठोस या अलग गैस या गैसीय मिश्रण भी हो सकता है।

पदार्थ की थोक मात्रा - शून्य अंश सहित - अधिकतर एक साधारण माप (उदाहरण के लिए एक कैलिब्रेटेड मापने वाले कप के साथ) या ज्ञात आयामों से ज्यामितीय रूप से प्राप्त की जाती है।

थोक मात्रा से विभाजित द्रव्यमान थोक घनत्व निर्धारित करता है। यह वॉल्यूमेट्रिक मास डेंसिटी के समान नहीं है।

वॉल्यूमेट्रिक द्रव्यमान घनत्व निर्धारित करने के लिए, पहले शून्य अंश की मात्रा को छूट देना चाहिए। कभी-कभी यह ज्यामितीय तर्क द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। समान गोलों की निविड संकुलन के लिए अशून्य अंश अधिक से अधिक 74% हो सकता है। इसे अनुभवजन्य रूप से भी निर्धारित किया जा सकता है। हालाँकि, कुछ थोक पदार्थ, जैसे कि रेत, में चर शून्य अंश होता है जो इस बात पर निर्भर करता है कि पदार्थ कैसे उत्तेजित या डाली जाती है। हैंडलिंग के आधार पर अधिक या कम वायु स्थान के साथ यह ढीला या कॉम्पैक्ट हो सकता है।

व्यवहार में, शून्य अंश आवश्यक रूप से वायु या गैसीय भी नहीं है। रेत के विषय में, यह पानी हो सकता है, जो पानी में संतृप्त रेत के लिए शून्य अंश के रूप में माप के लिए फायदेमंद हो सकता है - किसी भी हवा के बुलबुले को पूरी तरह से बाहर निकाल दिया जाता है - संभावित रूप से वायु शून्य से मापी गई सूखी रेत की तुलना में अधिक सुसंगत है।

गैर-कॉम्पैक्ट पदार्थों के मामले में, पदार्थ के नमूने के द्रव्यमान का निर्धारण करने में भी ध्यान रखना चाहिए। यदि पदार्थ दबाव में है (सामान्यतया पृथ्वी की सतह पर परिवेशी वायु दाब) मापा नमूना वजन से द्रव्यमान का निर्धारण शून्य घटक के घनत्व के कारण उछाल प्रभाव के लिए खाते की आवश्यकता हो सकती है, इस पर निर्भर करता है कि माप कैसे किया गया था। सूखी रेत के मामले में, रेत हवा की तुलना में इतनी अधिक सघन होती है कि उछाल प्रभाव सामान्यतया उपेक्षित (एक हजार में एक भाग से कम) होता है।

स्थिर मात्रा बनाए रखते हुए एक शून्य पदार्थ को दूसरे के साथ विस्थापित करने पर द्रव्यमान परिवर्तन का उपयोग शून्य अंश का अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है, यदि दो शून्य पदार्थों के घनत्व में अंतर विश्वसनीय रूप से ज्ञात हो।

घनत्व में परिवर्तन

Main articles: दबाव and तापीय प्रसार

सामान्यतः दबाव या तापमान में परिवर्तन करके घनत्व को बदला जा सकता है। दबाव बढ़ाने से हमेशा पदार्थ का घनत्व बढ़ता है। तापमान बढ़ने से सामान्य रूप में घनत्व कम हो जाता है, लेकिन इस सामान्यीकरण में उल्लेखनीय अपवाद हैं। उदाहरण के लिए, पानी का घनत्व उसके गलनांक 0 °C और 4 °C के बीच बढ़ता है; सिलिकॉन में कम तापमान पर समान व्यवहार देखा जाता है।

तरल पदार्थ और ठोस के घनत्व पर दबाव और तापमान का प्रभाव कम होता है। एक विशिष्ट तरल या ठोस के लिए संपीड्यता 10⁻⁶ bar⁻¹ (1 bar = 0.1 MPa) है और एक विशिष्ट तापीय प्रसार क्षमता 10⁻⁵ K⁻¹ है। यह मोटे तौर पर एक पदार्थ की मात्रा को एक प्रतिशत कम करने के लिए लगभग दस हजार गुना वायुमंडलीय दबाव की आवश्यकता में अनुवाद करता है। (यद्यपि आवश्यक दबाव रेतीली मिट्टी और कुछ मिट्टी के लिए लगभग एक हजार गुना छोटा हो सकता है।) मात्रा के एक प्रतिशत के विस्तार के लिए सामान्यतया हजारों डिग्री सेल्सियस के तापमान में वृद्धि की आवश्यकता होती है।

इसके विपरीत, गैसों का घनत्व दबाव से अत्यधिक प्रभावित होता है। एक आदर्श गैस का घनत्व होता है

$\rho ={\frac {MP}{RT}},$

जहां पे M मोलर द्र्वयमान है, P दबाव है, R गैस स्थिर है, और T परम तापमान है। इसका अर्थ यह है कि दबाव को दोगुना करके या पूर्ण तापमान को आधा करके एक आदर्श गैस का घनत्व दोगुना किया जा सकता है।

निरंतर दबाव और तापमान के छोटे अंतराल पर वॉल्यूमिक थर्मल विस्तार के विषय में घनत्व की तापमान निर्भरता है

$\rho ={\frac {\rho _{T_{0}}}{1+\alpha \cdot \Delta T}},$

जहां $\rho _{T_{0}}$ एक संदर्भ तापमान पर घनत्व है, $\alpha$ निकट के तापमान पर पदार्थ का थर्मल विस्तार गुणांक है $T_{0}$.

समाधानों का घनत्व

किसी विलयन का घनत्व उस विलयन के घटकों की द्रव्यमान (द्रव्यमान) सांद्रता का योग होता है।

द्रव्यमान (द्रव्यमान) प्रत्येक दिए गए घटक ρi की एकाग्रता_i एक घोल में घोल का घनत्व,

$\rho =\sum _{i}\varrho _{i}.$

मिश्रण के शुद्ध घटकों के घनत्व और उनकी मात्रा की भागीदारी के फंक्शन रूप में व्यक्त किया गया, यह अतिरिक्त मोलर आयतन के निर्धारण की अनुमति देता है:

$\rho =\sum _{i}\rho _{i}{\frac {V_{i}}{V}}\,=\sum _{i}\rho _{i}\varphi _{i}=\sum _{i}\rho _{i}{\frac {V_{i}}{\sum _{i}V_{i}+\sum _{i}{V^{E}}_{i}}},$

किन्तु शर्त यह है कि, घटकों के बीच कोई अंतःक्रिया न हो।

अतिरिक्त मात्रा और घटकों के गतिविधि गुणांक के बीच के संबंध को जानने के बाद, कोई गतिविधि गुणांक निर्धारित कर सकता है:

${\overline {V^{E}}}_{i}=RT{\frac {\partial \ln \gamma _{i}}{\partial P}}.$

घनत्व

विभिन्न पदार्थ

चयनित रासायनिक तत्व यहां सूचीबद्ध हैं। सभी रासायनिक तत्वों के घनत्व के लिए रासायनिक तत्वों की सूची देखें

मूल्यों की एक श्रृंखला को कवर करने वाली विभिन्न पदार्थों की घनत्व

Material	ρ (kg/m3)	Notes
हाइड्रोजन	0.0898
हीलियम	0.179
एरोग्राफाइट	0.2
मैटेलिक माइक्रोलैटिस	0.9
एरोजेल	1.0
वायु	1.2	समुद्र तल पर
तुङ्गस्तन हेक्साफ्लुओरइड	12.4	मानक स्थितियों में सबसे भारी ज्ञात गैसों में से एक
लिक्विड हाइड्रोजन	70	लगभग −255 °C
स्टायरोफोम	75	लगभग
कॉर्क	240	लगभग
पाइन	373
लिथियम	535	सबसे कम घनत्व वाली धातु
लकड़ी	700	संशोषण, विशिष्ट
ओक	710
पोटैशियम	860
आइस	916.7	तापमान पर < 0 °C
कुकिंग आयल	910–930
सोडियम	970
जल (फ़्रेश)	1,000	4 °C पर इसके अधिकतम घनत्व का तापमान
जल(साल्ट)	1,030	3%
लिक्विड ऑक्सीजन	1,141	लगभग −219 °C
नायलॉन	1,150
प्ला�