ความหนาแน่นวัดว่ามวลอัดแน่นอยู่ในปริมาตรมากแค่ไหน เหมือนการเปรียบเทียบขนนกกับตะกั่ว—ขนาดเท่ากัน น้ำหนักต่างกัน เป็นคุณสมบัติสำคัญในการระบุวัสดุ

• ความหนาแน่น = มวล ÷ ปริมาตร (ρ = m/V)
• ความหนาแน่นสูงกว่า = หนักกว่าสำหรับขนาดเท่ากัน
• น้ำ: 1000 kg/m³ = 1 g/cm³
• กำหนดการลอย/การจม

ความถ่วงจำเพาะ = ความหนาแน่นเทียบกับน้ำ เป็นอัตราส่วนไร้มิติ SG = 1 หมายถึงเท่ากับน้ำ SG < 1 ลอย, SG > 1 จม

• SG = ρ_วัสดุ / ρ_น้ำ
• SG = 1: เท่ากับน้ำ
• SG < 1: ลอย (น้ำมัน, ไม้)
• SG > 1: จม (โลหะ)

ความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ! ก๊าซ: ไวต่อการเปลี่ยนแปลงมาก ของเหลว: เปลี่ยนแปลงเล็กน้อย น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4°C ต้องระบุเงื่อนไขเสมอ

• อุณหภูมิ ↑ → ความหนาแน่น ↓
• น้ำ: สูงสุดที่ 4°C (997 kg/m³)
• ก๊าซไวต่อความดัน/อุณหภูมิ
• มาตรฐาน: 20°C, 1 atm

kg/m³ เป็นมาตรฐาน SI g/cm³ เป็นที่นิยมมาก (= SG สำหรับน้ำ) g/L สำหรับสารละลาย ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับเลขยกกำลังของ 10

• 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
• 1 g/mL = 1 g/cm³ = 1 kg/L
• 1 t/m³ = 1000 kg/m³
• g/L = kg/m³ (ในเชิงตัวเลข)

lb/ft³ เป็นที่นิยมที่สุด lb/in³ สำหรับวัสดุที่มีความหนาแน่นสูง lb/gal สำหรับของเหลว (แกลลอนสหรัฐ ≠ แกลลอนอังกฤษ!) pcf = lb/ft³ ในงานก่อสร้าง

• 1 lb/ft³ ≈ 16 kg/m³
• แกลลอนสหรัฐ ≠ แกลลอนอังกฤษ (ต่างกัน 20%)
• lb/in³ สำหรับโลหะ
• น้ำ: 62.4 lb/ft³

API สำหรับปิโตรเลียม Brix สำหรับน้ำตาล Plato สำหรับการผลิตเบียร์ Baumé สำหรับสารเคมี การแปลงค่าไม่เป็นเชิงเส้น!

• API: ปิโตรเลียม (10-50°)
• Brix: น้ำตาล/ไวน์ (0-30°)
• Plato: เบียร์ (10-20°)
• Baumé: สารเคมี

ρ = m/V รู้สองอย่าง หาอย่างที่สาม m = ρV, V = m/ρ ความสัมพันธ์เชิงเส้น

• ρ = m / V
• m = ρ × V
• V = m / ρ
• หน่วยต้องตรงกัน

อาร์คิมิดีส: แรงลอยตัว = น้ำหนักของของไหลที่ถูกแทนที่ ลอยถ้า ρ_วัตถุ < ρ_ของไหล อธิบายภูเขาน้ำแข็ง, เรือ

• ลอยถ้า ρ_วัตถุ < ρ_ของไหล
• แรงลอยตัว = ρ_ของไหล × V × g
• % ที่จม = ρ_วัตถุ/ρ_ของไหล
• น้ำแข็งลอย: 917 < 1000 kg/m³

ความหนาแน่นมาจากมวลอะตอม + การจัดเรียงตัว ออสเมียม: หนาแน่นที่สุด (22,590 kg/m³) ไฮโดรเจน: ก๊าซที่เบาที่สุด (0.09 kg/m³)

• มวลอะตอมมีความสำคัญ
• การจัดเรียงผลึก
• โลหะ: ความหนาแน่นสูง
• ก๊าซ: ความหนาแน่นต่ำ

• น้ำคือ 1: g/cm³ = g/mL = kg/L = SG (ทั้งหมดเท่ากับ 1 สำหรับน้ำ)
• คูณด้วย 1000: g/cm³ × 1000 = kg/m³ (1 g/cm³ = 1000 kg/m³)
• กฎของ 16: lb/ft³ × 16 ≈ kg/m³ (1 lb/ft³ ≈ 16.018 kg/m³)
• SG เป็น kg/m³: แค่คูณด้วย 1000 (SG 0.8 = 800 kg/m³)
• ทดสอบการลอย: SG < 1 ลอย, SG > 1 จม, SG = 1 ลอยตัวเป็นกลาง
• กฎของน้ำแข็ง: 917 kg/m³ = 0.917 SG → 91.7% จมอยู่ใต้น้ำเมื่อลอย

• g/cm³ ≠ g/m³! ต่างกันเป็นล้านเท่า ตรวจสอบหน่วยของคุณเสมอ!
• อุณหภูมิมีความสำคัญ: น้ำคือ 1000 ที่ 4°C, 997 ที่ 20°C, 958 ที่ 100°C
• แกลลอนสหรัฐ vs แกลลอนอังกฤษ: ความแตกต่าง 20% มีผลต่อการแปลง lb/gal (119.8 vs 99.8 kg/m³)
• SG ไม่มีมิติ: อย่าใส่หน่วย SG × 1000 = kg/m³ (แล้วค่อยใส่หน่วย)
• API gravity กลับด้าน: API สูงกว่า = น้ำมันเบากว่า (ตรงข้ามกับความหนาแน่น)
• ความหนาแน่นของก๊าซเปลี่ยนแปลงตาม P&T: ต้องระบุเงื่อนไขหรือใช้กฎของก๊าซอุดมคติ

การเลือกวัสดุตามความหนาแน่น เหล็ก (7850) แข็งแรง/หนัก อะลูมิเนียม (2700) เบา คอนกรีต (2400) สำหรับโครงสร้าง

• เหล็ก: 7850 kg/m³
• อะลูมิเนียม: 2700 kg/m³
• คอนกรีต: 2400 kg/m³
• โฟม: 30-100 kg/m³

API gravity ใช้จำแนกประเภทน้ำมัน ความถ่วงจำเพาะสำหรับคุณภาพ ความหนาแน่นมีผลต่อการผสม การแยก และการกำหนดราคา

• API > 31.1: น้ำมันดิบชนิดเบา
• API < 22.3: น้ำมันดิบชนิดหนัก
• น้ำมันเบนซิน: ~720 kg/m³
• ดีเซล: ~832 kg/m³

Brix สำหรับปริมาณน้ำตาล Plato สำหรับมอลต์ SG สำหรับน้ำผึ้ง, ไซรัป การควบคุมคุณภาพ, การตรวจสอบการหมัก

• Brix: น้ำผลไม้, ไวน์
• Plato: ความเข้มข้นของเบียร์
• น้ำผึ้ง: ~1400 kg/m³
• นม: ~1030 kg/m³

g/cm³ × 1000 = kg/m³ lb/ft³ × 16 = kg/m³ SG × 1000 = kg/m³

• 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
• 1 lb/ft³ ≈ 16 kg/m³
• SG × 1000 = kg/m³
• 1 g/mL = 1 kg/L

m = ρ × V น้ำ: 2 m³ × 1000 = 2000 kg

• m = ρ × V
• น้ำ: 1 L = 1 kg
• เหล็ก: 1 m³ = 7850 kg
• ตรวจสอบหน่วย

V = m / ρ ทอง 1 kg: V = 1/19320 = 51.8 cm³

• V = m / ρ
• ทอง 1 kg = 51.8 cm³
• อะลูมิเนียม 1 kg = 370 cm³
• หนาแน่น = เล็ก

คานเหล็กขนาด 2m × 0.3m × 0.3m, ρ=7850 น้ำหนัก?

V = 0.18 m³ m = 7850 × 0.18 = 1413 kg ≈ 1.4 ตัน

ไม้ (600 kg/m³) ในน้ำ จะลอยหรือไม่?

600 < 1000, ลอย! ส่วนที่จม: 600/1000 = 60%

ทอง 1 kg ρ=19320 ปริมาตร?

V = 1/19320 = 51.8 cm³ ขนาดเท่ากล่องไม้ขีด!

22,590 kg/m³ หนึ่งลูกบาศก์ฟุต = 1,410 ปอนด์! หนาแน่นกว่าอิริเดียมเล็กน้อย หายาก ใช้ในปลายปากกา

น้ำแข็ง 917 < น้ำ 1000 เกือบจะไม่เหมือนใคร! ทะเลสาบแข็งตัวจากบนลงล่าง ช่วยชีวิตสัตว์น้ำ

หนาแน่นที่สุดที่ 4°C ไม่ใช่ 0°C! ป้องกันไม่ให้ทะเลสาบแข็งตัวทั้งหมด—น้ำที่ 4°C จะจมลงด้านล่าง

1-2 kg/m³ 'ควันแช่แข็ง' รองรับน้ำหนักได้ 2000 เท่าของน้ำหนักตัวเอง ยานสำรวจดาวอังคารใช้มัน!

~4×10¹⁷ kg/m³ หนึ่งช้อนชา = 1 พันล้านตัน! อะตอมยุบตัว สสารที่หนาแน่นที่สุด

0.09 kg/m³ เบากว่าอากาศ 14 เท่า มีมากที่สุดในจักรวาลแม้จะมีความหนาแน่นต่ำ

ช่วงเวลา 'ยูเรก้า!' ที่โด่งดังที่สุดในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์เกิดขึ้นเมื่ออาร์คิมิดีสค้นพบหลักการลอยตัวและการแทนที่ความหนาแน่นขณะอาบน้ำในเมืองซีราคิวส์ ซิซิลี

• กษัตริย์ฮีเอโรที่ 2 สงสัยว่าช่างทองของเขาโกงโดยการผสมเงินเข้าไปในมงกุฎทองคำ
• อาร์คิมิดีสต้องพิสูจน์การฉ้อโกงโดยไม่ทำลายมงกุฎ
• เมื่อสังเกตเห็นการแทนที่ของน้ำในอ่างอาบน้ำ เขาก็ตระหนักว่าสามารถวัดปริมาตรได้โดยไม่ทำลาย
• วิธีการ: วัดน้ำหนักของมงกุฎในอากาศและในน้ำ เปรียบเทียบกับตัวอย่างทองคำบริสุทธิ์
• ผลลัพธ์: มงกุฎมีความหนาแน่นน้อยกว่าทองคำบริสุทธิ์—พิสูจน์การฉ้อโกงได้!
• มรดก: หลักการของอาร์คิมิดีสกลายเป็นรากฐานของอุทกสถิตยศาสตร์และวิทยาศาสตร์ความหนาแน่น

การค้นพบอายุ 2,300 ปีนี้ยังคงเป็นพื้นฐานสำหรับการวัดความหนาแน่นสมัยใหม่ผ่านวิธีการแทนที่น้ำและการลอยตัว

การปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์นำมาซึ่งเครื่องมือที่แม่นยำและการศึกษาความหนาแน่นของวัสดุ ก๊าซ และสารละลายอย่างเป็นระบบ

• 1586: กาลิเลโอ กาลิเลอี ประดิษฐ์เครื่องชั่งอุทกสถิต—เครื่องมือวัดความหนาแน่นที่แม่นยำเครื่องแรก
• ทศวรรษ 1660: โรเบิร์ต บอยล์ ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นและความดันของก๊าซ (กฎของบอยล์)
• 1768: อองตวน โบเม พัฒนามาตราส่วนไฮโดรมิเตอร์สำหรับสารละลายเคมี—ยังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน
• 1787: ฌาคส์ ชาร์ลส์ วัดความหนาแน่นของก๊าซเทียบกับอุณหภูมิ (กฎของชาร์ลส์)
• ทศวรรษ 1790: ลาวัวซิเยร์ กำหนดให้ความหนาแน่นเป็นคุณสมบัติพื้นฐานในวิชาเคมี

ความก้าวหน้าเหล่านี้ได้เปลี่ยนความหนาแน่นจากเรื่องน่าสงสัยให้กลายเป็นวิทยาศาสตร์เชิงปริมาณ ซึ่งช่วยให้เกิดวิชาเคมี วิทยาศาสตร์วัสดุ และการควบคุมคุณภาพ

อุตสาหกรรมต่างๆ ได้พัฒนามาตราส่วนความหนาแน่นเฉพาะสำหรับปิโตรเลียม อาหาร เครื่องดื่ม และสารเคมี ซึ่งแต่ละอย่างได้รับการปรับให้เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะของตน

• 1921: สถาบันปิโตรเลียมอเมริกันสร้างมาตราส่วน API gravity—ดีกรีที่สูงขึ้น = น้ำมันดิบที่เบาและมีค่ามากขึ้น
• 1843: อดอล์ฟ บริกซ์ พัฒนาแซ็กคารอมิเตอร์สำหรับสารละลายน้ำตาลให้สมบูรณ์แบบ—°Brix ยังคงเป็นมาตรฐานในอุตสาหกรรมอาหาร/เครื่องดื่ม
• ทศวรรษ 1900: มาตราส่วน Plato ได้รับการกำหนดมาตรฐานสำหรับการผลิตเบียร์—วัดปริมาณสารสกัดในเวิร์ตและเบียร์
• 1768-ปัจจุบัน: มาตราส่วน Baumé (หนักและเบา) สำหรับกรด ไซรัป และสารเคมีอุตสาหกรรม
• มาตราส่วน Twaddell สำหรับของเหลวอุตสาหกรรมหนัก—ยังคงใช้ในการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า

มาตราส่วนที่ไม่เป็นเชิงเส้นเหล่านี้ยังคงอยู่เพราะได้รับการปรับให้เหมาะสมกับช่วงแคบๆ ที่ความแม่นยำมีความสำคัญสูงสุด (เช่น API 10-50° ครอบคลุมน้ำมันดิบส่วนใหญ่)

ความเข้าใจในระดับอะตอม วัสดุใหม่ และเครื่องมือที่แม่นยำได้ปฏิวัติการวัดความหนาแน่นและวิศวกรรมวัสดุ

• 1967: การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ยืนยันว่าออสเมียมเป็นธาตุที่หนาแน่นที่สุดที่ 22,590 kg/m³ (หนาแน่นกว่าอิริเดียม 0.12%)
• ทศวรรษ 1980-90: เครื่องวัดความหนาแน่นแบบดิจิทัลมีความแม่นยำถึง ±0.0001 g/cm³ สำหรับของเหลว
• ทศวรรษ 1990: แอโรเจลได้รับการพัฒนา—ของแข็งที่เบาที่สุดในโลกที่ 1-2 kg/m³ (อากาศ 99.8%)
• ทศวรรษ 2000: โลหะผสมแก้วที่มีอัตราส่วนความหนาแน่นต่อความแข็งแรงที่ผิดปกติ
• 2019: การนิยามใหม่ของ SI ผูกกิโลกรัมเข้ากับค่าคงที่ของพลังค์—ตอนนี้ความหนาแน่นสามารถตรวจสอบย้อนกลับไปถึงฟิสิกส์พื้นฐานได้

ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในศตวรรษที่ 20 ได้เปิดเผยถึงขีดสุดของความหนาแน่นที่เกินจินตนาการของโลก

• อวกาศระหว่างดวงดาว: ~10⁻²¹ kg/m³—เกือบเป็นสุญญากาศสมบูรณ์แบบที่มีอะตอมไฮโดรเจน
• บรรยากาศโลกที่ระดับน้ำทะเล: 1.225 kg/m³
• ดาวแคระขาว: ~10⁹ kg/m³—หนึ่งช้อนชามีน้ำหนักหลายตัน
• ดาวนิวตรอน: ~4×10¹⁷ kg/m³—หนึ่งช้อนชาเท่ากับ ~1 พันล้านตัน
• ภาวะเอกฐานของหลุมดำ: ตามทฤษฎีแล้วมีความหนาแน่นเป็นอนันต์ (ฟิสิกส์ใช้ไม่ได้)

ความหนาแน่นที่รู้จักกันมีช่วงกว้างประมาณ 40 อันดับของขนาด—จากความว่างเปล่าของจักรวาลไปจนถึงแกนกลางของดาวที่ยุบตัว

วันนี้ การวัดความหนาแน่นเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในวิทยาศาสตร์ อุตสาหกรรม และการค้า

• ปิโตรเลียม: API gravity กำหนดราคาน้ำมันดิบ (±1° API = มูลค่าหลายล้าน)
• ความปลอดภัยของอาหาร: การตรวจสอบความหนาแน่นสามารถตรวจจับการปลอมปนในน้ำผึ้ง น้ำมันมะกอก นม น้ำผลไม้
• เภสัชกรรม: ความแม่นยำระดับต่ำกว่ามิลลิกรัมสำหรับการผสมยาและการควบคุมคุณภาพ
• วิศวกรรมวัสดุ: การปรับความหนาแน่นให้เหมาะสมสำหรับอวกาศ (แข็งแรง + เบา)
• สิ่งแวดล้อม: การวัดความหนาแน่นของมหาสมุทร/บรรยากาศสำหรับแบบจำลองสภาพภูมิอากาศ
• การสำรวจอวกาศ: การจำแนกคุณลักษณะของดาวเคราะห์น้อย ดาวเคราะห์ บรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ

ความหนาแน่นมีหน่วย (kg/m³, g/cm³) SG เป็นอัตราส่วนไร้มิติเทียบกับน้ำ SG=ρ/ρ_น้ำ SG=1 หมายถึงเท่ากับน้ำ คูณ SG ด้วย 1000 เพื่อให้ได้ kg/m³ SG มีประโยชน์สำหรับการเปรียบเทียบอย่างรวดเร็ว

น้ำขยายตัวเมื่อแข็งตัว น้ำแข็ง=917, น้ำ=1000 kg/m³ น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่า 9% ทะเลสาบแข็งตัวจากบนลงล่าง เหลือพื้นที่น้ำด้านล่างสำหรับสิ่งมีชีวิต ถ้าหากน้ำแข็งจม ทะเลสาบจะแข็งตัวทั้งหมด พันธะไฮโดรเจนที่ไม่เหมือนใคร

อุณหภูมิสูงขึ้น → ความหนาแน่นต่ำลง (การขยายตัว) ก๊าซไวต่อการเปลี่ยนแปลงมาก ของเหลว ~0.02%/°C ของแข็งน้อยมาก ข้อยกเว้น: น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4°C ระบุอุณหภูมิเสมอเพื่อความแม่นยำ

สหรัฐ=3.785L, อังกฤษ=4.546L (ใหญ่กว่า 20%) มีผลต่อ lb/gal! 1 lb/แกลลอนสหรัฐ=119.8 kg/m³ 1 lb/แกลลอนอังกฤษ=99.8 kg/m³ ระบุเสมอ

แม่นยำมากถ้าควบคุมอุณหภูมิ ±0.001 เป็นเรื่องปกติสำหรับของเหลวที่อุณหภูมิคงที่ ของแข็ง ±0.01 ก๊าซต้องการการควบคุมความดัน มาตรฐาน: 20°C หรือ 4°C สำหรับการอ้างอิงน้ำ

ของเหลว: ไฮโดรมิเตอร์, ปิคโนมิเตอร์, เครื่องวัดแบบดิจิทัล ของแข็ง: อาร์คิมิดีส (การแทนที่น้ำ), ปิคโนมิเตอร์แบบใช้ก๊าซ ความแม่นยำ: สามารถทำได้ถึง 0.0001 g/cm³ การควบคุมอุณหภูมิมีความสำคัญอย่างยิ่ง