الحجم تعريفه، قانونه، وأدوات قياسه

تعريف الحجم

يُعرف الحجم (بالإنجليزية: Volume) بأنه مصطلح فيزيائي شائع يُشير بدقّة إلى الحيّز ثلاثي الأبعاد الذي تشغله المادة بغض النظر عن حالتها الفيزيائيّة،^[١] ومن العوامل التي تؤثر على حجم المادة:^[٢]

• الضغط: والذي يرتبط بعلاقة عكسية مع الحجم، فكلما زاد الضغط يقل حجم الحيّز الذي تشغله المادّة.
• درجات الحرارة: والذي يرتبط بعلاقة طردية مع الحجم، فكلّما زادت درجات الحرارة ازداد الحجم الذي تشغله المادة، ما عدا الماء فإنه يشذ عن هذه القاعدة بين درجات حرارة (0-4) مئوية وهو ما يُعرف بظاهرة شذوذ الماء.

إضافة إلى ذلك فإنه بالإمكان اشتقاق وحدة الحجم من خلال وحدات أبعاده؛ كالطول والعرض والارتفاع،^[٢] ومن أشهر الوحدات المتداولة في قياس الحجم والتعبير عنه ما يأتي:^[١]

قانون الحجم

كيف يمكن حساب حجم مادة معينة؟ يمكن حساب حجم المواد المختلفة باستخدام عدّة قوانين، كل قانون يمكن استخدامه في حالة محدّدة، وفيما يأتي ذكر كل منها بالتفصيل:

قوانين حجم المادة حسب حالتها الفيزيائية

تتنوّع القوانين التي يمكن استخدامها في حسابات الأحجام، وتنقسم إلى:

• حساب الحجم من خلال الأبعاد المادّية للشكل الثلاثي: فيما يخص "الأجسام الصلبة ذات الأبعاد الثلاثية الثابتة" يمكن حساب الحجم باستخدام قوانين خاصّة بالحجم لكل شكل (منشور، مخروط، أسطوانة، كرة...) من خلال قوانين تعتمد أساسًا على الأبعاد والتي يمكن قياسها مباشرة وبسهولة كقياس الطول أو نصف القطر، وهذه الطريقة هي أبسط طريقة ممكنة، وسيتم ذكر قوانين الأشكال الهندسية كلًّا على حِدى.^[٣]
• حساب الحجم بطريقة الكثافة- الكتلة: أمّا بالنسبة للسوائل فإنّ الأمر أكثر تعقيدًا، إذ لا يوجد للسائل شكل محدد وأبعاد ثابتة يمكن قياسها بسهولة؛ لذا يمكن هنا الاعتماد على القانون الذي ينص على أنّ: حجم الجسم= وزنه/ كثافته. ويمكن تحديد الوزن بالقياس، كما نحتاج في هذه الطريقة معرفة الكثافات العامّة للمواد المختلفة في الظروف المثالية، وتصلح هذه الطريقة لقياس حجم المواد الصلبة والسائلة.^[٣]
• حساب الحجم بطريقة الإزاحة: تصلح هذه الطريقة "للأجسام الصلبة ذات الأشكال العشوائية" والتي لا يوجد قانون محدّد لقياسها كما يمكن استخدامها للسائل والغاز، وتعد هذه الطريقة من أكثر الطرق دقّة وأشهرها بين الناس، ويتم ذلك من خلال حساب فرق الإزاحة في السائل أو الغاز حسب القانون: حجم الجسم= حجم السائل المُزاح داخل حاوية معينة معروفة الأبعاد.^[٣]
• حساب حجم الغاز: يمكن حساب حجم الغاز من خلال القانون الآتي: V= nRT/P، إذ إنّ:^[٤]
  • V: حجم الغاز المثالي بوحدة اللتر.
  • n: عدد مولات الغاز.
  • T: درجة الحرارة بوحدة كلفن.
  • P: الضغط بوحدة atm.

قوانين حجم المادة حسب شكلها الهندسي

يمكن حساب حجم أي شكل ثلاثي الأبعاد من خلال الصيغة العامّة لحساب الحجم وهي كالآتي: (حجم المادة = مساحة القاعدة × الارتفاع)، وفيما يأتي أهم الأشكال الهندسة ثلاثيّة الأبعاد مع قانون حساب كل منها بشكل مفصّل:^[٥]

• حجم المنشور الرباعي: يمكن حسابه من خلال القانون التالي:
  • حجم المنشور الرباعي = مساحة القاعدة × الارتفاع، ومنه؛ حجم المنشور الرباعي= الطول × العرض × الارتفاع
• حجم المنشور الثلاثي (قاعدته مثلثة الشكل): يمكن حسابه من خلال القانون التالي:
  • حجم المنشور الثلاثي = مساحة القاعدة × الارتفاع، ومنه؛ حجم المنشور الثلاثي = 0.5 × (ارتفاع المثلّث × طول قاعدته) × ارتفاع المنشور
• حجم الأسطوانة (قاعدتها دائرية الشكل): يمكن حساب حجم الأسطوانة من خلال القانون التالي:
  • حجم الأسطوانة= مساحة القاعدة × الارتفاع، ومنه؛ حجم الأسطوانة= (π × (نصف قطر الدائرة)^2) × ارتفاع الأسطوانة
• حجم المخروط (قاعدة دائرية الشكل): يمكن حسابه من خلال القانون التالي:
  • حجم المخروط= 1/3 × (مساحة القاعدة × الارتفاع)، ومنه؛ حجم المخروط= 1/3 × ((π × (نصف قطر الدائرة)^2) × ارتفاع المخروط)
• حجم الهرم: يمكن حسابه من خلال القانون التالي:
  • حجم الهرم= مساحة القاعدة × الارتفاع (ويتم حساب مساحة القاعدة حسب شكلها).
• حجم الكرة: يمكن حسابه من خلال القانون التالي:
  • حجم الكرة= 4/3 × π × (نصف قطر الدائرة المركزية)^3

أدوات قياس الحجم

تختلف الأدوات المستخدمة في قياس أحجام المواد باختلاف الشكل الفيزيائي للمادة، فتنقسم إلى:

أدوات قياس أحجام المواد الصلبة

تُقاس أحجام المواد الصلبة عمليًّا بالاستعانة بالأدوات الآتية:^[٦]

• حاوية أسطوانية الشكل نصف قطرها معروف تحتوي على سائل، ويكون حجم الجسم الصلب المغمور في السائل يكافئ حجم السائل المُزاح داخل الأسطوانة.
• حاوية على شكل منشور رباعي معروف الأبعاد (طول وعرض القاعدة) تحتوي بداخلها على سائل، ويكون حجم الجسم الصلب المغمور داخل السائل مكافئ لحجم السائل المزاح داخل الحاوية.
• ميزان لقياس الكتلة، وبمعرفة كثافة المادة يتم حساب الحجم.
• مسطرة أو شريط متري لقياس الأبعاد للأشكال المنتظمة مثل المنشور الرباعي مثلًا، وتُضرب الأبعاد لحساب الحجم.^[٧]

أدوات قياس أحجام المواد السائلة

تُقاس أحجام المواد السائلة باستخدام المواد الآتية:^[٨]

• السحاحة (بالإنجليزية: Burette).
• الأكواب والملاعق المعياريّة.
• المخبار المدرّج (بالإنجليزية: Graduated Cylinder).
• الدورق الحجمي (بالإنجليزية: Volumetric flask).
• المحقان أو الماصّة.

أدوات قياس أحجام المواد الغازية

يصنّف الغاز كأصعب مادة يمكن قياس حجمها، وذلك بسبب طبيعته وانعدام القدرة على لمسه أو رؤيته والتحكّم فيه بشكل مباشر، إلا أنّ عملية قياسه يمكن أن تتم باستخدام المواد الآتية:^[٩]

• المخبار المدرّج: ويكون ذلك في حالة الغازات غير القابلة للذوبان في الماء فقط.
• الحقنة: وذلك بعد أن يُطبق تفاعل معيّن من شأنه تحرير الغاز وانطلاقه مسبّبًا إزاحة في الحقنة يمكن حسابها.
• الميزان الكتلي: وتكون الكثافة معروفة مسبقًا ليتم حساب الحجم.
• عدّاد التدفّق الحجمي للغاز: وهو جهاز متوفّر في الأسواق.

المراجع

1. ^ ^{أ ب} "What Is Volume in Science?", thoughtco, Retrieved 26/5/2021. Edited.
2. ^ ^{أ ب} "Volume", encyclopedia, Retrieved 26/5/2021. Edited.
3. ^ ^{أ ب ت} "Different Ways to Find Volume", sciencing, Retrieved 26/5/2021. Edited.
4. ↑ "6.6: Gas Volumes and Stoichiometry", chem.libretexts, Retrieved 26/5/2021. Edited.
5. ↑ "Volume formulas review", khanacademy, Retrieved 26/5/2021. Edited.
6. ↑ "How to Measure the Volume of a Solid Object", sciencing, Retrieved 26/5/2021. Edited.
7. ↑ "How to Calculate Volume", wikihow, Retrieved 26/5/2021. Edited.
8. ↑ "Types of Liquid Measuring Devices", sciencing, Retrieved 26/5/2021. Edited.
9. ↑ "Measurement of Gas volumes in Laboratories", lab-training, Retrieved 26/5/2021. Edited.