การทดสอบหาค่าความหนาแน่น และความถ่วงจำเพาะ

การทดสอบหาค่าความหนาแน่น และความถ่วงจำเพาะ

ตามทฤษฎี ที่กล่าวว่า ความถ่วงจำเพาะ เป็นอัตราส่วน เปรียบเทียบ ระหว่างค่าความหนาแน่นของวัตถุ กับค่าความหนาแน่น ของของไหลมาตรฐาน การทดสอบส่วนมาก วัสดุจะอยู่ในรูปของแข็ง ได้แก่ ดิน หิน แร่ ออกไซด์ และสารประกอบต่าง ๆ ซึ่งของไหลมาตรฐานที่ใช้ ได้แก่น้ำ โดยที่น้ำมีความหนาแน่นประมาณ 1 กรัม ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ดังนั้น ค่าความถ่วงจำเพาะของวัตถุใด ๆ ที่ใช้ค่าความหนาแน่นของน้ำ เป็นของไหลมาตรฐานในการเปรียบเทียบ จึงมีค่าใกล้เคียงที่สุด หรือถือได้ว่าเท่ากับค่าความหนาแน่นของวัตถุนั้น ๆ ดังนี้

การทดสอบหาค่าความหนาแน่น และความถ่วงจำเพาะ

ตามทฤษฎี ที่กล่าวว่า ความถ่วงจำเพาะ เป็นอัตราส่วน เปรียบเทียบ ระหว่างค่าความหนาแน่นของวัตถุ กับค่าความหนาแน่น ของของไหลมาตรฐาน การทดสอบวัสดุในงานเซรามิกส่วนมาก วัสดุจะอยู่ในรูปของแข็ง ได้แก่ ดิน หิน แร่ ออกไซด์ และสารประกอบต่าง ๆ ซึ่งของไหลมาตรฐานที่ใช้ ได้แก่น้ำ โดยที่น้ำมีความหนาแน่นประมาณ 1 กรัม ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ดังนั้น ค่าความถ่วงจำเพาะของวัตถุใด ๆ ที่ใช้ค่าความหนาแน่นของน้ำ เป็นของไหลมาตรฐานในการเปรียบเทียบ จึงมีค่าใกล้เคียงที่สุด หรือถือได้ว่าเท่ากับค่าความหนาแน่นของวัตถุนั้น ๆ ดังนี้

 ความถ่วงจำเพาะของวัตถุ = ความหนาแน่นของวัตถุ / ความหนาแน่นของน้ำ
= ความหนาแน่นของวัตถุ / 1

ดังนั้น ความถ่วงจำเพาะของวัตถุ = ความหนาแน่นของวัตถุ

 ค่าความหนาแน่น ที่ได้จากการทดสอบ จึงหมายถึง ค่าความถ่วงจำเพาะ ของวัตถุนั้น ๆ ซึ่งการทดสอบ หาค่าความหนาแน่น ในทางเซรามิก มีหลายวิธี จำแนกตามลักษณะของวัสดุที่ต้องการทดสอบ เช่น วัสดุอยู่ในรูปผง จะหาความหนาแน่นโดยใช้ขวดพิคโนมิเตอร์ (Pycnometer) หากเป็นก้อนวัสดุ ใช้การชั่งน้ำหนักวัสดุ นำมาเปรียบเทียบกับมวลของน้ำ ถ้าเป็นของผสม เช่น น้ำดิน น้ำเคลือบ ใช้การหาค่าความหนาแน่น โดยการชั่งน้ำหนัก หรือใช้ไฮโดรมิเตอร์ แต่หากของผสมอยู่ในรูปผงแห้ง สามารถหาค่าความหนาแน่น โดยการคำนวณ ซึ่งรายละเอียดของการทดสอบแต่ละวิธีมีดังต่อไปนี้

 1. การหาค่าความหนาแน่นโดยใช้ขวดพิคโนมิเตอร์
เป็นการหาค่าความหนาแน่น ของวัตถุดิบ ที่คิดจาก ความหนาแน่นที่แท้จริง ไม่รวมช่องว่างหรือรูพรุนใด ๆ ทั้งสิ้น โดยวัตถุดิบที่นำมาหาจะต้องเป็นผง และเป็นวัตถุดิบที่ไม่ละลายน้ำ มีวิธีการทดสอบดังนี้

1.1 อบขวดพิคโนมิเตอร์พร้อมฝาให้แห้งสนิท ชั่งน้ำหนักบันทึกน้ำหนักเป็น P (กรัม)
1.2 เติมน้ำกลั่นบันทึกอุณหภูมิของน้ำกลั่นเป็น T1 (องศาเซลเซียส) ปิดฝาและชั่งน้ำหนัก บันทึกน้ำหนักเป็น W1 (กรัม)
1.3 เทน้ำกลั่นทิ้ง อบขวดให้แห้ง
1.4 ใส่ตัวอย่างที่ผ่านการบด ผ่านตะแกรง 100 เมช และอบแห้ง ประมาณ 8 - 12 กรัมลงในขวด ปิดฝา ชั่งน้ำหนักบันทึกน้ำหนักเป็น W (กรัม)
1.5 เติมน้ำกลั่น บันทึกอุณหภูมิของน้ำกลั่นเป็น T2 (องศาเซลเซียส) ปิดฝาชั่งน้ำหนัก บันทึกน้ำหนักเป็น W2 (กรัม) ( อุณหภูมิ T1 และ T2 ควรแตกต่างกันไม่เกิน 5 องศา เซลเซียส)
1.6 คำนวณตามสูตร
ความหนาแน่น (D) = [d1 d2 (W - P)] / { (0.999973)[ ?2(W1-P)- ?1(W2-W)] }

เมื่อ

d 1 หมายถึงความหนาแน่นของน้ำที่อุณหภูมิ T1 (g/cm3)
d 2 หมายถึงความหนาแน่นของน้ำที่อุณหภูมิ T2 (g/cm3)
P หมายถึงน้ำหนักของขวดพิคโนมิเตอร์ และฝาปิด (g)
W หมายถึงน้ำหนักของขวดพิคโนมิเตอร์ ฝาปิดและตัวอย่าง (g)
W1 หมายถึงน้ำหนักของขวดพิคโนมิเตอร์ ฝาปิดและน้ำกลั่น (g)
W2 หมายถึงน้ำหนักของขวดพิคโนมิเตอร์ ฝาปิด ตัวอย่าง และน้ำกลั่น(g)

1.7 การรายงานค่าต้องรายงานถึงทศนิยมตำแหน่งที่ 3 และการทดสอบซ้ำค่าที่ได้ ควรแตกต่างจากครั้งแรกไม่เกิน 0.005
จากการคำนวณตามสูตรในข้อ 1.6 เนื่องจาก ความหนาแน่นของน้ำที่อุณหภูมิต่าง ๆ มีค่าประมาณ 1 กรัม ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร จึงสามารถคำนวณค่าความถ่วงจำเพาะได้จากสูตร
ความถ่วงจำเพาะ = (W – P) / (W1 – P) หรือ น้ำหนักของตัวอย่าง / น้ำหนักของน้ำกลั่น

2. การหาค่าความหนาแน่นโดยการชั่งน้ำหนัก
การนำวิธีการชั่งน้ำหนักวัสดุมาใช้ เป็นการหาค่าความหนาแน่น และค่าความถ่วงจำเพาะ ในงานเซรามิก จำแนกเป็น 2 วิธี ตามลักษณะของวัสดุ ที่นำมาทดสอบ ดังต่อไปนี้

2.1 เมื่อวัสดุ หรือตัวอย่างที่ต้องการทดสอบเป็นก้อน ในรูปของแข็ง ไม่ละลายน้ำ เช่น หินฟันม้า หินเขี้ยวหนุมาน หรือผลิตภัณฑ์ ที่ผ่านการเผาแล้ว จะทดสอบค่าความถ่วงจำเพาะ โดยใช้ เครื่องชั่งจอลลี (Jolly Balance) จากทฤษฎีที่กล่าวว่า ค่าความถ่วงจำเพาะ เป็นอัตราส่วนเปรียบเทียบระหว่างมวลของวัตถุ และมวลของน้ำ ดังนั้นจึงสามารถวัดหรือชั่งน้ำหนักของวัสดุในน้ำ และน้ำหนักของวัตถุในอากาศ เพื่อนำมาคำนวณตามสูตร

ความถ่วงจำเพาะ = Wa / (Wa – Ww)

เมื่อ

Wa หมายถึงน้ำหนักในอากาศ (กรัม)
Ww หมายถึงน้ำหนักในน้ำ (กรัม)
Wa - Ww หมายถึงน้ำหนักที่หายไปในน้ำ หรือ หมายถึง น้ำหนักของน้ำ ที่ปริมาตรเท่ากันนั่นเอง

เครื่องชั่งจอลลี จะมีถาดสำหรับวางวัตถุจำนวนสองถาด ถาดบนสำหรับชั่งน้ำหนัก ตามปกติที่เรียกว่า น้ำหนักในอากาศ ส่วนถาดล่างจะชั่งวัตถุที่อยู่ในน้ำ ได้นักหนักที่เรียกว่า น้ำหนักในน้ำ ซึ่งค่าน้ำหนักที่อ่านได้จะอยู่บนสเกล (ภาพที่3)

2.2 สำหรับตัวอย่างที่เป็นของผสมในรูปของของไหล เช่น น้ำดิน และน้ำเคลือบ เราสามารถใช้การชั่งน้ำหนักในการหาค่าความหนาแน่น โดยนำหลักการตามทฤษฎีที่กล่าวว่า ความหนาแน่นได้แก่อัตราส่วนของมวลต่อปริมาตรมาใช้ ซึ่งมีวิธีการปฏิบัติในการทดสอบดังนี้

2.2.1 ชั่งน้ำหนักภาชนะที่รู้ปริมาตร บันทึกน้ำหนักภาชนะเป็น W (กรัม)
2.2.2 ใส่ตัวอย่างลงในภาชนะ บันทึกปริมาตรตัวอย่างเป็น V (ลูกบาศก์- เซนติเมตร) ชั่งน้ำหนักและบันทึกเป็น Ws (กรัม)
2.2.3 คำนวณตามสูตร

ความหนาแน่นของวัตถุ (ds) = มวลของวัตถุ / ปริมาตรของวัตถุ
= (Ws – W) / V

เมื่อ

Ws หมายถึงน้ำหนักของตัวอย่างและภาชนะ (g)
W หมายถึงน้ำหนักของภาชนะที่รู้ปริมาตร (g)
V หมายถึงปริมาตรของตัวอย่างในภาชนะ (cm3)
จาก

ความถ่วงจำเพาะ = ความหนาแน่นของตัวอย่าง / ความหนาแน่นของน้ำ
= ds / dw

แต่ความหนาแน่นของน้ำ (dw) = 1 g / 1 cm3
ดังนั้นความถ่วงจำเพาะของตัวอย่าง = ความหนาแน่นของวัตถุ (?s)

3. การหาค่าความหนาแน่นโดยการคำนวณ

3.1 การคำนวณค่าความหนาแน่นของวัตถุดิบ
วัตถุดิบในงานเซรามิก มีหลายชนิด แต่ละชนิดจะมีสมบัติแตกต่างกัน ดังเช่น ดินมีทั้งดินขาว ดินดำ และดินแดง ส่วนดินขาวที่มาจากต่างแหล่งกัน จะมีสมบัติทางฟิสิกส์ และองค์ประกอบทางเคมีแตกต่างกัน ดังนั้น เป็นผลให้ ค่าความหนาแน่นของวัตถุดิบแตกต่างกันได้ แม้จะเป็นวัตถุดิบชนิดเดียวกัน การหาค่าความหนาแน่นของวัตถุดิบนี้ นอกจากจะใช้ขวดพิคโนมิเตอร์แล้ว หากทราบองค์ประกอบทางแร่ของวัตถุดิบ เราสามารถคำนวณ หาค่าความหนาแน่น ของวัตถุดิบนั้น ๆ ได้ เช่น (ปรีดา พิมพ์ขาวขำ, 2538, หน้า 29)

สมมุติให้ดินขาวแหล่งหนึ่ง ประกอบด้วยร้อยละของแร่ต่าง ๆ ดังนี้

แร่คาโอลินไนต์ ร้อยละ 87
ไมกา (มัสโคลไวต์) (Mica ; Muscovite) ร้อยละ 3
ควอร์ต ร้อยละ 10

ความหนาแน่นของดินขาว เท่ากับ 2.6314 กรัม ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร หาได้จากผลรวมของความหนาแน่นของแร่แต่ละชนิดที่คิดได้จาก ปริมาณที่มีในอัตราส่วนผสมรวม คือ 100

3.2 การคำนวณหาค่าความหนาแน่นของอัตราส่วนผสม
น้ำเคลือบ และเนื้อดินปั้น ในงานเซรามิก จะประกอบด้วยวัตถุดิบมากกว่า 1 ชนิด หากทราบว่า ในอัตราส่วนผสม ของเนื้อดินปั้น หรือน้ำเคลือบนั้น ประกอบด้วยวัตถุดิบใดบ้าง และจำนวนเท่าใด เราสามารถคำนวณ หาค่าความหนาแน่น ของอัตราส่วนผสมได้ ซึ่งค่าความหนาแน่นที่ได้ จะเป็นค่าความหนาแน่น ของอัตราส่วนผสมแห้ง วิธีการคำนวณ เช่นเดียวกับการหา ค่าความหนาแน่นของวัตถุดิบ ดังนี้คือ

3.3 การคำนวณหาค่าความหนาแน่นของของผสมในรูปของไหล
ของผสมในรูปของไหลในที่นี้คือ น้ำดิน และน้ำเคลือบ ซึ่งประกอบด้วย อัตราส่วนผสมของวัตถุดิบ และน้ำ ในการคำนวณ ข้อมูลพื้นฐานที่ต้องรู้ คือความหนาแน่นของอัตราส่วนผสมแห้ง (จากการคำนวณตามข้อ 3.2) และในอัตราส่วนผสม ของของผสมประกอบด้วยน้ำจำนวนเท่าใด วัตถุดิบแห้งจำนวนเท่าใด วิธีการคำนวณ หาความหนาแน่นของของผสม ได้มาจากสูตรการคำนวณหาความหนาแน่น เท่ากับอัตราส่วนของมวล ต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร หรือ

ความหนาแน่น (Density) = [มวล (Mass) / ปริมาตร (Volume)]

และการหาปริมาตรจะได้จาก

ปริมาตร = [มวล / ความหนาแน่น]

(ดวงเพ็ญ ศรีบัวงาม และอนุรักษ์ ปิติรักษ์สกุล, ม.ป.ป., หน้า 135) โดยในการ หาค่าความหนาแน่น ของของผสม กำหนดให้

Mm หมายถึง น้ำหนักของอัตราส่วนผสมแห้ง (กรัม)
Mw หมายถึง น้ำหนักของน้ำ (กรัม)
Vm หมายถึง ปริมาตรของอัตราส่วนผสม = Mm / Dm (ลูกบาศก์เซนติเมตร)
Dm หมายถึง ความหนาแน่น ของอัตราส่วนผสมแห้ง (กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร)
Dw หมายถึง ความหนาแน่นของน้ำ (มีค่าเท่ากับ 1 กรัม ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร)
Vw หมายถึง ปริมาตรของน้ำ = Mw / Dw = Mw (เพราะ Dw = 1)

จึงสามารถคำนวณหาค่าความหนาแน่นของ ของผสมจำพวกน้ำดิน และน้ำเคลือบ ได้จากสูตร

ความหนาแน่นของของผสม
= (Mm + Mw) / [(Mm / Dm) + (Mw / Dw)]
= (Mm + Mw) / [(Mm / Dm) + Mw]

 

4. การหาค่าความหนาแน่นโดยใช้ไฮโดรมิเตอร์
ไฮโดรมิเตอร์เป็นเครื่องมือวัดความหนาแน่น ของตัวอย่างที่อยู่ในรูปของเหลว อาจเป็นสารเดี่ยว เช่น น้ำ กลีเซอรีน และน้ำมัน เป็นต้น หรืออยู่ในรูปของผสม หรือสารแขวนลอย เช่น น้ำดิน น้ำเคลือบ ซึ่งของเหลวต่าง ๆ เหล่านี้ จะมีความหนาแน่น ต่างกัน และไฮโดรมิเตอร์แต่ละอัน ก็จะใช้สำหรับ การวัดค่าความหนาแน่นของ ของเหลวที่ความหนาแน่นช่วงหนึ่งเท่านั้น โดยที่ช่วงของความหนาแน่น ที่จะใช้ไฮโดรมิเตอร์ มาวัดนี้ จะแตกต่างกันตาม การผลิตของผู้ผลิต ไฮโดรมิเตอร์บางอัน สามารถวัดความหนาแน่นของ ของเหลวในช่วงแคบ เช่น ระหว่าง 1.6 – 1.7 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร แต่บางอัน สามารถวัดความหนาแน่นช่วงกว้าง เช่น ระหว่าง 1 – 2 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร เป็นต้น ดังนั้นการนำไฮโดรมิเตอร์มาใช้งาน ผู้ใช้ควรมีความรู้พื้นฐาน เกี่ยวกับของเหลว ที่ต้องการวัดความหนาแน่นเป็นเบื้องต้น ว่าจะมีความหนาแน่นอยู่ในช่วงใด หรือประมาณเท่าใด เพื่อให้สามารถจัดหา และเลือกใช้ไฮโดรมิเตอร์ได้ถูกต้อง
การใช้งานไฮโดรมิเตอร์ โดยจุ่มไฮโดรมิเตอร์ ลงในของเหลว ที่ต้องการวัดค่าความหนาแน่น ปล่อยให้ไฮโดรมิเตอร์ จมลงในของเหลว จนกระทั่งหยุดนิ่ง จึงอ่านค่าความหนาแน่น จากระดับตัวเลข บนแท่งไฮโดรมิเตอร์ บริเวณผิวของของเหลว (ภาพที่4 (1)) กรณีที่แท่งไฮโดรมิเตอร์จมทั้งหมด (ภาพที่4 (2)) แสดงว่า ต้องใช้ไฮโดรมิเตอร์ใหม่ ที่มีระดับค่าการวัดความหนาแน่น ต่ำกว่าเดิม เนื่องจาก ของเหลวมีค่าความหนาแน่นต่ำกว่า ระดับความหนาแน่นของไฮโดรมิเตอร์ ที่ใช้อยู่ ในทางตรงข้าม กรณีที่ ไฮโดรมิเตอร์ลอยอยู่เหนือของเหลว หรือ จมเพียงเล็กน้อยไม่อยู่ในระดับ ที่จะอ่านค่าความหนาแน่นได้ (ภาพที่4 (3)) หมายถึง ค่าความหนาแน่นของ ของเหลวสูงกว่าที่จะใช้ไฮโดรมิเตอร์ อันดังกล่าววัด หรืออาจจะ หมายถึง ของเหลวมีความหนืดสูง แรงตึงผิวสูง ไฮโดรมิเตอร์ จึงไม่สามารถจมตัวลงได้
สิ่งที่ควรระวัง สำหรับการใช้ไฮโดรมิเตอร์คือ การไม่ทราบค่าความหนาแน่น ของของเหลว และใช้ไฮโดรมิเตอร์ ที่มีระดับความหนาแน่นสูงกว่า ระดับความหนาแน่นที่ต้องการทราบ เมื่อนำมาใช้งาน หลังปล่อยมือ ไฮโดรมิเตอร์จะจมลง สู่ก้นภาชนะอย่างรวดเร็ว จนกระทั่งกระเปาะของไฮโดรมิเตอร์ กระทบกับก้นภาชนะ และแตกได้

 

[นันธิกา มีแก้ว]

ไม่เจอข้อความที่ต้องการอยากให้ช่วยหาให้หน่อย อิอิอิอิอิอิ55555555++++