La densitat és una quantitat intensiva de la matèria en física i química que expressa quanta massa daquest material està present en un volum donat. Aquesta propietat física de la matèria sindica amb la lletra grega ρ.
Per calcular la densitat es fa servir aquesta fórmula:
On,
-
m és la massa
-
V és el volum
Al sistema SI, la densitat s'expressa en quilograms per metre cúbic (kg/m3 ), però també s'usa la unitat més antiga (del sistema cgs) grams per centímetre cúbic (g/cm3 ) o quilograms per decímetre cúbic.
Per calcular el volum d'un objecte es pot recórrer al bany d'immersió que va fer Arquimedes . Es tracta de submergir lobjecte en un recipient amb una secció que tingui una àrea fàcil de calcular i multiplicar làrea per la diferència dalçada de la superfície de laigua.
La densitat de l'aigua destil·lada a la pressió d'1 atm i la temperatura de 4 °C és de 1000 quilograms per metre cúbic (kg/m³), és a dir, 1 kg per litre.
Com afecta la pressió i la temperatura a la densitat?
La densitat d'una substància se sol tabular a una temperatura i pressió determinada perquè depèn de la grandària d'aquestes quantitats intensives.
Per a la majoria de substàncies, el volum augmenta linealment en augmentar la temperatura. Aquesta dependència de la temperatura de la densitat s'expressa al coeficient d'expansió d'una substància.
L'aigua, entre d'altres, n'és una excepció. Especialment a temperatures més baixes, el coeficient d'expansió de l'aigua mostra un comportament desviat: al voltant de 4 °C el coeficient d'expansió de l'aigua té un mínim.
La relació entre massa i volum duna substància generalment augmenta linealment a pressions hidrostàtiques més altes. Aquesta compressibilitat s'expressa al mòdul de compressió. El mòdul de compressió està estretament relacionat amb l'elasticitat d'un material que s'expressa al mòdul elàstic.
Com varia la densitat entre gasos, líquids i sòlids?
La densitat d'una substància difereix segons l'estat d'agregació en condicions estàndard. En general, la densitat d'una substància a la fase sòlida és més gran que a la fase líquida.
En canvi, la dels gasos és molt menor que la dels líquids i els sòlids en condicions estàndard.
Gasos
Un gas generalment es comporta com un gas ideal tret que la pressió sigui molt alta o la temperatura estigui molt per sota de la temperatura crítica del gas. Per a un gas ideal, la densitat es pot calcular mitjançant la fórmula següent:
on:
-
M és la massa molar.
-
P és la pressió.
-
R és la constant del gas.
-
T és la temperatura absoluta.
Líquids i sòlids
Els sòlids amb estructura cristal·lina oberta tenen una densitat relativament baixa que els sòlids amb una estructura cristal·lina densa, com els metalls i els aliatges.
En fondre's, es perd l'ordre de l'estructura cristal·lina del sòlid i es trenquen els enllaços del vidre. Com a resultat, la distància mitjana entre àtoms o molècules augmenta de manera que la majoria de substàncies s'expandeixen durant la fusió. Per tant, la densitat d‟una substància sol disminuir durant la fusió.
Tipus de densitats
Hi ha tres formes diferents de densitat: absoluta, relativa i aparent. Cadascuna d'aquestes densitats té el seu propi propòsit i aplicació específica, i juntes ofereixen una visió més completa de com els materials i les substàncies es relacionen amb la massa i el volum.
Densitat absoluta
La densitat absoluta és el mateix concepte que la densitat de massa (ρ). Representa la quantitat de massa (m) continguda en un volum (V) donat i es mesura en unitats de massa per unitat de volum, com a quilograms per metre cúbic (kg/m³).
És la densitat estàndard que s'utilitza a la majoria de les aplicacions físiques i científiques.
Densitat relativa
La densitat relativa, també coneguda com a gravetat específica, fa referència a la relació entre la densitat d'una substància i la de l'aigua (a una temperatura i pressió específiques).
Atès que l'aigua es pren com a referència, la densitat relativa no té unitats i s'expressa com a nombre adimensional. Si la densitat relativa és menor que 1, vol dir que la substància és menys densa que l'aigua, i si és més gran que 1, és més densa.
Densitat aparent
La densitat aparent s'utilitza en el context de materials granulars, com ara sòlids particulats o barreges. Es refereix a la massa total d'un sistema dividida pel seu volum total, incloent-hi tant les partícules sòlides com els espais buits entre elles.
La densitat aparent sol ser menor que la real dels sòlids individuals degut a la presència de porositat i espais buits.
Exemples de densitats
A continuació, adjunto una taula amb exemples de diferents substàncies i les seves densitats:
|
Substància |
Densitat (g/cm³) |
Descripció |
|
Aigua (a 25°C) |
1.00 |
L'aigua és una substància comuna, essencial per a la vida. |
|
Ferro |
7.87 |
El ferro és un metall dens utilitzat a la indústria i la construcció. |
|
Or |
19.32 |
L'or és un metall preciós conegut pel seu alt valor i brillantor. |
|
Plom |
11.34 |
El plom és un metall pesat que s'utilitza en diverses aplicacions, com ara bateries. |
|
Aire (a 0°C i 1 atm) |
0.001225 |
L'aire és una barreja de gasos que envolta la Terra. |
|
Alumini |
2.70 |
L'alumini és un metall lleuger i àmpliament utilitzat a la indústria i la construcció. |
|
Fusta (roure) |
0.75-0.95 |
La fusta és un material orgànic utilitzat en la construcció i fabricació de mobles. |
|
Heli (a 0°C i 1 atm) |
0.0001785 |
L'heli és un gas lleuger que es fa servir en globus i aplicacions criogèniques. |
|
Diamant |
3.51 |
El diamant és una forma cristal·lina de carboni i és una de les substàncies més dures conegudes. |
|
Mercuri |
13.53 |
El mercuri és un metall líquid a temperatura ambient, utilitzat en termòmetres i dispositius de mesura. |
| Oli d'oliva | 0.92-0.92 | L'oli d'oliva és un líquid natural àmpliament utilitzat a la cuina i la gastronomia. |
Materials utilitzats com a combustible nuclear
A continuació adjunto la densitat de materials directament relacionats amb lenergia nuclear. Aquests materials són essencials en diverses aplicacions a la indústria nuclear i la generació d'energia elèctrica a les centrals nuclears.
Aquests valors poden variar segons la forma i l'estat del material, per això són valors aproximats.
|
Substància |
Densitat (g/cm³) |
Descripció |
|
19.05 |
L' urani és un metall pesat que s'utilitza com a combustible en reactors nuclears per generar energia. |
|
|
19.86 |
El plutoni és un altre material utilitzat com a combustible en reactors nuclears i en armes nuclears. |
|
|
Urani empobrit |
19.1 |
L'urani empobrit és urani que té una concentració reduïda de l'isòtop fisible U-235 i s'utilitza en aplicacions militars i civils. |
|
Triti |
0,08 |
El triti és un isòtop radioactiu d'hidrogen que s'utilitza en la producció d'energia nuclear de fusió i en dispositius d'il·luminació. |