घनता व विशिष्ट गुरूत्व

घनता व विशिष्ट गुरुत्व : एखाद्या पदार्थाच्या एकक आयतनात (घनफळात) असणाऱ्या द्रव्यमानास त्याची घनता म्हणतात. सर्व अवस्थांतील द्रव्याच्या बाबतीत सहज मोजता येण्यासारखी ही एक राशी आहे. घनता सामान्यपणे ग्रॅम प्रती घ. सेंमी. (किंवा मिलिलिटर), पौंड प्रती घ. फूट किंवा पौंड प्रती गॅलन या एककात मोजतात. अभियांत्रिकीमध्ये बऱ्याच वेळा पदार्थाच्या एकक आयतनातील द्रव्याचे वजन अशी घनतेची व्याख्या करतात व ती पौंड प्रती घ. फूट किंवा किलोग्रॅम प्रती घ. मीटर या एककात लिहितात.

सर्व द्रव्यांची घनता तापमानावर अवलंबून असते. मिश्रणाची घनता त्याच्या संघटनेवर (त्यातील घटकांवर) अवलंबून असते, तर वायूंची दाबावर अवलंबून असते. घनता मोजताना सामान्यपणे पदार्थाचे हवेत (घनता ०·००१२ ग्रॅ./घ. सेंमी.) वजन करतात. यामुळे पदार्थाच्या वजनात उत्प्लावनाने (पदार्थावर खालून वर लागू होणाऱ्या प्रेरणेने) तूट येते म्हणून पदार्थाच्या घनतेच्या निश्चित मापनात यासाठी जरूर ती दुरुस्ती करावी लागते. वायूंच्या घनतामापनाखेरीज इतर पदार्थांच्या बाबतीत यामुळे करावी लागणारी दुरुस्ती उपेक्षणीय असते.

पदार्थाची घनता व एका विशिष्ट तापमानास (याला संदर्भ तापमान म्हणू) असणारी पाण्याची यांच्या गुणोत्तरास पदार्थांचे विशिष्ट गुरुत्व (वि. गु.) किंवा विशिष्ट घनता असे म्हणतात. शास्त्रीय कामात ४^० से. तापमानाच्या पाण्याची घनता तुलनेसाठी घेतात, तर अभियांत्रिकीमध्ये ६०^० फॅ तापमानाच्या पाण्याची घनता वापरतात. मेट्रिक पद्धतीत घनता व वि. गु. यांचे आकडे सारखेच येतात. ४^० से. संर्दभ तापमानाचे वि. गु. आणि ६०^० फॅ. संदर्भ तापमानाचे वि. गु. यात केवळ ०·१% एवढा फरक असतो. उद्योगधंद्यांमध्ये व प्रयोगशाळेत घनतेपेक्षा वि. गु. चे मापन जास्त प्रमाणात केले जाते. तसेच द्रव्यांच्या घनतेवरून त्यांची संघटना, गुणवत्ता किंवा प्रबलता ठरविता येत असल्यामुळे वायू किंवा घन पदार्थांपेक्षाही द्रवांचे वि. गु. जास्त प्रमाणात मोजतात [→ द्रव घनतामापक].

घनतेच्या मापनावरून शास्त्रज्ञांना काही नवीन माहिती मिळणे शक्य असते. तसेच घनतामापनामुळे नवीन शोधाचा दुवाही सापडणे शक्य असते. अमोनियम नायट्राइटापासून मिळविलेला नायट्रोजन आणि हवेपासून मिळविलेला नायट्रोजन यांच्या घनतेत जो अत्यल्प फरक आढळून आला त्यावरून अक्रिय (रासायनिक विक्रियांत सहजासहजी भाग न घेणाऱ्या, उदा., आर्‌गॉन) वायूंचा शोध लागला. वायूंच्या घनतामापनावरून वायूंच्या रेणूंमधील प्रेरणांचे स्वरूप व त्यांची महत्ता यांसंबंधी शास्त्रज्ञांना माहिती मिळाली. निरनिराळ्या उद्योगधंद्यांमध्ये प्रक्रियांवर नियंत्रण ठेवण्यासाठी काही इतर गोष्टींबरोबर घनतेचाही उपयोग होतो. मधातील पाण्याचे प्रमाण किंवा बिअरचे वि. गु. घनतामापनावरूनच ठरवितात. घन पदार्थांची संरचना व (ते ज्याप्रमाणे बनले असतील त्याप्रमाणे) त्यातील आयन (विद्युत् भारित अणू, रेणू किंवा अणुगट) अणू किंवा रेणू यांच्यातील अंतरावर त्याची घनता अवलंबून असते. कोळसा व हिरा हे दोन्ही पदार्थ कार्बनाच्याच अणूंचे बनलेले आहेत. परंतु त्यांची संरचना भिन्न असते व त्यामुळे त्यांच्या घनतेतही फरक पडतो.

घनतामापन : घनतामापनासाठी विशिष्ट आकाराचे घनतामापक वापरतात. आ. १ (अ) मध्ये द्रवाची घनता काढण्यासाठी वापरण्यात येणारा साधा घनतामापक दाखविला आहे. हा सु. १० घ. सेंमी. धारितेची (धारण करण्याच्या क्षमतेची) काचेची नलिका असून त्याच्या तोंडावर ४ सेंमी. लांबीची व ०·५ मिमी. व्यासाची छिद्र असलेली केशनलिका वितळबंद केलेली असते. ही नलिका स्वच्छ करण्यासाठी क्रमशः क्रोमिक अल्म, नायट्रिक अम्ल, गरम पाणी, अल्कोहॉल व ॲसिटोन यांनी धुवून वाळविल्यानंतर तारेने बांधून तिचे वजन करतात (व_१) नंतर तीत पाणी भरून वजन करतात (व_२) व शेवटी ती वाळवून घनतामापक इच्छित द्रवाने पूर्णपणे भरून पुन्हा वजन घेतात (व_३). द्रव भरताना त्याच्यात मिश्रित असलेले वायू काढून टाकणे आवश्यक असते. हे वायू काढून टाकून घनतामापक द्रवाने संपूर्ण भरण्यासाठी विशेष प्रकारची योजना वापरतात. द्रव्याचे त^० से. (प्रयोग करण्याच्या वेळचे तापमान) तापमानाला

तापमानाला घनता होय.  आ. १ (आ) मध्ये दुसऱ्या प्रकारचे घनतामापक दाखविले आहेत. वरील पद्धतीत थोडी सुधारणा करून द्रवाची घनता खंड न पडता केव्हाही मोजली जाईल असे उपकरण बनविता येते (आ. २). घनतेत ०·००१ ग्रॅ./मिलि. यापेक्षांही कमी फरक पडला, तरी तो या उपकरणाने समजतो व द्रवाच्या प्रवाहाच्या वेगाप्रमाणे मापनासाठी १ मिनिट एवढा कमी कालावधीही पुरतो.

निश्चित आकाराच्या पदार्थाच्या हवेतील व द्रवातील वजनांमधील फरकावरून द्रवाची घनता अचूकपणे मोजण्यासाठी व्हेस्टफाल तराजू वापरतात (आ. ३). ज्ञात वि. गु. च्या द्रवात दिलेल्या पदार्थाचे वजन करून त्याचे वि. गु. ठरविण्यासाठी या तराजूचा उपयोग होतो. द्रवात बुडविण्यासाठी ओळंबा व तापमापक यांचा उपयोग करतात. यामुळे वजन करतेवेळी तापमानाचीही नोंद होते. औद्योगिक कामामध्ये हेच तत्त्व वापरून घनतेची अखंडपणे नोंद होऊ शकते.

व्हेस्टफाल तराजूत द्रवाच्या उत्प्लावनाचा उपयोग करून घेतलेला आहे. याच तत्त्वाचा उपयोग करून विषारी किंवा काही कारणास्तव हवाबंद ठेवावे लागतात अशा द्रवांची घनता विद्युत् चुंबकीय प्लावकाच्या (तरंगणाऱ्या पदार्थांच्या) साहाय्याने काढतात (आ. ४). प्लावक सोडाकाचेपासून बनविलेला असून त्याच्या अरुंद भागात मऊ लोखंडाचा कीस किंवा पोलादाचे लहान वेटोळे ठेवतात.

प्लावक द्रवाच्या पृष्ठभागाखाली रहावा यासाठी प्लावक ज्या नलिकेत ठेवलेला असतो त्यावर छिद्रे असलेला एक दट्ट्या बसवितात. ही सर्व योजना एका तापस्थापकामध्ये (तापमान सारखे ठेवणाऱ्या साधनामध्ये) असते. द्रवाचे उत्प्लावन तोलण्यासाठी (तापस्थापकाखाली) विद्युत् चुंबकाच्या वेटोळ्यातून आवश्यक तेवढा विद्युत् प्रवाह प्र सोडतात. प्लावकाचे आयतन आ, त्याची घनता घ_०, द्रवाची घनता घ आणि गुरुत्वीय प्रवेग (दर सेकंदास होणारा वेगबदल) ग मानल्यास आर्किमिडीज तत्त्वाप्रमाणे प्लावकावरील उत्प्लावन आ घ ग एवढे असणार. प्लावकावरील गुरुत्वीय प्रेरणा आ घ_० ग एवढी आहे. विद्युत् चुंबकाच्या वेटोळ्यामधून प्रवाह प्र सोडला असता प्लावकावरील चुंबकीय प्रेरणा क प्र^२ (क स्थिरांक) एवढी येते. जेव्हा प्लावक अत्यंत सावकाश खाली येतो तेव्हा या तीन प्रेरणांमधील संबंध पुढीलप्रमाणे असतो.

आ घ ग = आ घ_० ग + क प्र^२  किंवा

घ = घ_० + (क/आ ग) प्र^२.

येथे प्लावकाचे उष्णतेने होणारे प्रसरण हिशेबात घेतले नाही. एखाद्या प्रयोगात वापरलेल्या प्लावकाचे आयतन बदलत नसल्यामुळे

घ = घ_० + क’ प्र^२.

प्लावकाची घनता घ_० व उपकरणाचा स्थिरांक क’ बऱ्याच ज्ञात घनतेचे द्रव वापरून निश्चित करता येतो. या पद्धतीतील अचुकता बव्हंशी विद्युत् प्रवाह किती अचूकपणे मोजता येतो यावर अवलंबून आहे. सर्वच पदार्थांची घनता तापमानावर व काही अंशी दाबावर अवलंबून असली, तरी द्रव किंवा घन पदार्थांपेक्षा वायूंच्या घनतेवर तापमान व दाब यांच्यातील बदलाचा अधिक परिणाम होतो. आदर्श वायूंच्या बाबतीत स्थिर तापमानास वायूची घनता दाबाच्या (द) सम प्रमाणात असते. दाब कायम ठेवला असता घनता निरपेक्ष तापमानाच्या (⁰ के) [→ केल्व्हिन निरपेक्ष तापक्रम] व्यस्त प्रमाणात असते. घनता (घ), दाब व निरपेक्ष तापमान यांच्यातील संबंध खालील समीकरणावरून दाखविता येतो.

या समीकरणात र = रेणुभार आणि म = वायु-स्थिरांक आहे. या समीकरणाचा उपयोग करून वायूंचे किंवा बाष्पनशील द्रवांचे रेणुभार काढता येतात [→ रेणुभार].

घन पदार्थाची घनता काढण्यासाठी पदार्थाचे प्रथम हवेत वजन करतात. नंतर त्या पदार्थाचे ज्ञात घनतेच्या द्रवात (सामान्यपणे पाण्यात) वजन करतात. ही वजने अनुक्रमे व_१ आणि व_२ असल्यास

पदार्थ पाण्यात विरघळणारा असल्यास तो ज्या द्रवात विरघळत नाही असा द्रव वापरून वरील सूत्राने त्याची घनता काढता येते. तसेच पदार्थ दिलेल्या द्रवात बुडत नसल्यास द्रवात बुडणाऱ्या पण अविद्राव्य ( द्रवात न विरघळणाऱ्या ) अशा पदार्थाचा निमज्जक (बुडविणारा) म्हणून उपयोग करतात. घनता काढण्यासाठी वरील सूत्रात थोडा बदल करून घ्यावा लागतो. ह्या सर्व पद्धती आर्किमिडीज तत्त्वावर आधारलेल्या आहेत.

पहा : आर्किमिडीज तत्त्व.

संदर्भ : Starling, S. G. Mechanical Properties of Matter, London, 1935.

शिरोडकर, सु. स.

“