ความหนาแน่นและน้ำหนักจำเพาะของน้ำ: มวลของ 1 ลิตรและ 1 m³

ที่อุณหภูมิห้องประมาณ 20 °C น้ำบริสุทธิ์มีความหนาแน่นประมาณ 998.2 kg/m³ ดังนั้น น้ำ 1 ลิตรมีมวลประมาณ 0.9982 kg และ น้ำ 1 m³ มีมวลประมาณ 998.2 kg สำหรับการคำนวณทั่วไปและการประเมินเบื้องต้น มักปัดค่าเป็น น้ำ 1 ลิตร ≈ 1 kg และ 1 m³ ≈ 1000 kg

อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ น้ำในสถานะของเหลวมีความหนาแน่นสูงสุดที่ประมาณ 4 °C โดยมีค่าประมาณ 999.975 kg/m³ เมื่ออุณหภูมิสูงกว่านี้ น้ำจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน ทำให้มวลที่อยู่ในปริมาตรเท่ากันค่อย ๆ ลดลง

ควรแยกความหมายของ มวล, ความหนาแน่น และ น้ำหนักจำเพาะ ออกจากกัน กิโลกรัมเป็นหน่วยของมวล ความหนาแน่นแสดงได้ เช่น ในหน่วย kg/m³ ส่วนน้ำหนักจำเพาะในทางฟิสิกส์คือแรงน้ำหนักต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร จึงมีหน่วยเป็น N/m³

ความหนาแน่นของน้ำที่อุณหภูมิต่าง ๆ

ตารางต่อไปนี้แสดงค่าของน้ำบริสุทธิ์ในช่วง 0–40 °C โดยปัดค่าให้เหมาะกับการคำนวณในทางปฏิบัติ สำหรับงานห้องปฏิบัติการ มาตรวิทยา และงานที่ต้องการความแม่นยำสูง ต้องพิจารณาองค์ประกอบของน้ำ ก๊าซที่ละลายอยู่ ความดัน และเงื่อนไขการวัดจริงด้วย

ค่า 1000 kg/m³ ที่ 4 °C ใช้สะดวกสำหรับการคำนวณอย่างรวดเร็ว แต่เป็นค่าที่ปัดแล้ว ค่าความหนาแน่นที่แม่นยำกว่าของน้ำบริสุทธิ์ใกล้อุณหภูมินี้จะต่ำกว่า 1000 kg/m³ เล็กน้อย

น้ำ 1 ลิตรมีมวลเท่าไร?

1 ลิตรเท่ากับ 0.001 m³ สามารถคำนวณมวลของน้ำได้จากสูตร:

m = ρ × V

โดยที่:

• m — มวล, kg;
• ρ — ความหนาแน่นของน้ำ, kg/m³;
• V — ปริมาตร, m³.

สำหรับน้ำ 1 ลิตรที่ 20 °C:

V = 1 L = 0.001 m³

m = 998.2 × 0.001 ≈ 0.9982 kg

ดังนั้น ที่ 20 °C น้ำบริสุทธิ์ 1 ลิตรมีมวลประมาณ 998 g ความแตกต่างจากกฎคร่าว ๆ ที่คุ้นเคยว่า “1 ลิตร = 1 kg” มีน้อย จึงมักละเลยในการคำนวณทั่วไป

น้ำ 1 m³ มีมวลเท่าไร?

สำหรับ 1 ลูกบาศก์เมตร การคำนวณง่ายขึ้นเพราะปริมาตรเท่ากับ 1 m³ อยู่แล้ว:

m = ρ × 1

ที่ 20 °C:

m ≈ 998.2 kg

ดังนั้น น้ำบริสุทธิ์ 1 m³ ที่ 20 °C มีมวลประมาณ 998.2 kg หรือประมาณ 0.998 t

ที่อุณหภูมิใกล้ 4 °C น้ำ 1 m³ มีมวลเกือบเท่ากับ 1 ตัน

วิธีคำนวณมวลของน้ำทุกปริมาตร

หากปริมาตรระบุเป็นลิตร ให้แปลงเป็นลูกบาศก์เมตรก่อน:

V(m³) = V(L) / 1000

จากนั้นใช้สูตร:

m = ρ × V

ตัวอย่าง ต้องการหามวลของน้ำ 50 ลิตรที่ 20 °C

1. แปลงปริมาตร: 50 L = 0.05 m³.
2. ใช้ค่าความหนาแน่น: ρ ≈ 998.2 kg/m³.
3. คำนวณ: m = 998.2 × 0.05 ≈ 49.91 kg.

ดังนั้น น้ำ 50 ลิตรที่ 20 °C มีมวลประมาณ 49.9 kg

ด้วยวิธีเดียวกัน น้ำ 200 ลิตรที่ 20 °C มีมวลประมาณ:

998.2 × 0.2 ≈ 199.6 kg

เหตุใดอุณหภูมิจึงทำให้ความหนาแน่นของน้ำเปลี่ยนไป

เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลก็เปลี่ยนด้วย ดังนั้นน้ำปริมาตรเท่ากันอาจมีมวลต่างกันเล็กน้อย

น้ำมีคุณสมบัติพิเศษ คือมีความหนาแน่นสูงสุดที่ประมาณ 4 °C เมื่อทำให้เย็นลงต่อไปจนเข้าใกล้จุดเยือกแข็ง ความหนาแน่นจะลดลงเล็กน้อยอีกครั้ง จึงทำให้ค่าที่ 0 °C ต่ำกว่าค่าที่ 4 °C

เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 4 °C น้ำจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน ตัวอย่างเช่น น้ำ 1 ลิตรที่ 40 °C มีมวลน้อยกว่าน้ำ 1 ลิตรที่ 20 °C

การเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นไม่ควรสับสนกับการเปลี่ยนแปลงของมวลรวม หากให้ความร้อนกับภาชนะปิดที่มีน้ำปริมาณคงที่โดยไม่มีน้ำสูญหาย มวลจะคงเดิม แต่ปริมาตรจะเปลี่ยนไป

ความหนาแน่นกับน้ำหนักจำเพาะของน้ำต่างกันอย่างไร

ความหนาแน่นคืออัตราส่วนของมวลต่อปริมาตร:

ρ = m / V

หน่วย SI ของความหนาแน่นคือ kg/m³

น้ำหนักจำเพาะคือแรงน้ำหนักต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร:

γ = ρ × g

โดยที่:

• γ — น้ำหนักจำเพาะ, N/m³;
• ρ — ความหนาแน่น, kg/m³;
• g — ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง, m/s².

เมื่อใช้ค่ามาตรฐาน g = 9.80665 m/s² สำหรับน้ำที่ 20 °C:

γ ≈ 998.2 × 9.80665 ≈ 9790 N/m³

หรือประมาณ 9.79 kN/m³

ในตารางทั่วไปบางแห่ง คำว่า “น้ำหนักจำเพาะของน้ำ” อาจถูกใช้แบบไม่เคร่งครัดเพื่อหมายถึงความหนาแน่น และให้ค่าเป็น kg/m³ แต่ในทางฟิสิกส์เป็นคนละปริมาณกัน: kg/m³ คือความหนาแน่น ส่วน N/m³ คือน้ำหนักจำเพาะ

ปัจจัยอื่นที่มีผลต่อความหนาแน่นจริงของน้ำ

อุณหภูมิไม่ใช่ปัจจัยเดียว ค่าจริงยังได้รับผลจาก:

• เกลือและสารอื่นที่ละลายอยู่;
• ก๊าซที่ละลายอยู่;
• ความดัน;
• องค์ประกอบทางเคมีและไอโซโทป;
• ความแม่นยำในการวัดอุณหภูมิและปริมาตร.

ดังนั้น ค่าของน้ำบริสุทธิ์จึงไม่ควรนำไปถือว่าเป็นค่าที่แม่นยำโดยอัตโนมัติสำหรับน้ำทะเล น้ำแร่ น้ำในกระบวนการ หรือสารละลายเกลือเข้มข้น

สำหรับภาชนะใช้ในบ้าน ถัง อ่างเก็บน้ำ และการประเมินโหลดอย่างคร่าว ๆ โดยทั่วไปใช้ 1 kg ต่อลิตร ก็เพียงพอ หากผลการคำนวณมีผลต่อการสอบเทียบ การจ่ายปริมาณ กระบวนการทางเทคนิค หรือโหลดออกแบบ ควรใช้ค่าความหนาแน่นที่ตรงกับอุณหภูมิและองค์ประกอบจริงของน้ำ

วิธีแปลงกิโลกรัมของน้ำเป็นลิตร

หากทราบมวล สามารถคำนวณปริมาตรด้วยสูตรย้อนกลับ:

V = m / ρ

ที่ 20 °C น้ำบริสุทธิ์ 1 ตันมีปริมาตร:

V = 1000 / 998.2 ≈ 1.0018 m³

หรือประมาณ 1001.8 ลิตร

ใกล้ 4 °C การคำนวณเดียวกันจะได้ค่าใกล้ 1000 ลิตรมาก

เปรียบเทียบกับของเหลวชนิดอื่น

น้ำเป็นค่ามาตรฐานเปรียบเทียบที่สะดวก เพราะมีความหนาแน่นใกล้ 1000 kg/m³ ของเหลวทั่วไปหลายชนิดเบากว่าหรือหนักกว่าน้ำ

สำหรับการเปรียบเทียบ ดูได้ว่า น้ำมันเบนซิน 1 ลิตรมีมวลเท่าไร และ ความหนาแน่นของน้ำมันดิบมีผลต่อมวลของ 1 ลิตรอย่างไร