Densidad - Density

Densidad
Columna de densidad artística.png
Un cilindro graduado que contiene varios líquidos coloreados no miscibles con diferentes densidades.
Símbolos comunes
ρ , D
Unidad SI kg / m 3
Extenso ? No
Intensiva ?
¿ Conservado ? No
Derivaciones de
otras cantidades
Dimensión

La densidad (más precisamente, la densidad de masa volumétrica ; también conocida como masa específica ), de una sustancia es su masa por unidad de volumen . El símbolo que se usa con más frecuencia para la densidad es ρ (la letra griega minúscula rho ), aunque también se puede usar la letra latina D. Matemáticamente, la densidad se define como masa dividida por volumen:

donde ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen. En algunos casos (por ejemplo, en la industria del petróleo y el gas de los Estados Unidos), la densidad se define vagamente como su peso por unidad de volumen , aunque esto es científicamente inexacto; esta cantidad se llama más específicamente peso específico .

Para una sustancia pura, la densidad tiene el mismo valor numérico que su concentración másica . Los diferentes materiales generalmente tienen diferentes densidades, y la densidad puede ser relevante para la flotabilidad , la pureza y el empaque . El osmio y el iridio son los elementos más densos conocidos en condiciones estándar de temperatura y presión .

Para simplificar las comparaciones de densidad entre diferentes sistemas de unidades, a veces se reemplaza por la cantidad adimensional " densidad relativa " o " gravedad específica ", es decir, la relación entre la densidad del material y la de un material estándar, generalmente agua. Por tanto, una densidad relativa menor que uno en relación con el agua significa que la sustancia flota en el agua.

La densidad de un material varía con la temperatura y la presión. Esta variación suele ser pequeña para sólidos y líquidos, pero mucho mayor para gases. Al aumentar la presión sobre un objeto, disminuye el volumen del objeto y, por lo tanto, aumenta su densidad. El aumento de la temperatura de una sustancia (con algunas excepciones) disminuye su densidad al aumentar su volumen. En la mayoría de los materiales, calentar la parte inferior de un fluido da como resultado la convección del calor desde la parte inferior hacia la parte superior, debido a la disminución de la densidad del fluido calentado, lo que hace que aumente en relación con el material más denso sin calentar.

El recíproco de la densidad de una sustancia se llama ocasionalmente su volumen específico , un término que a veces se usa en termodinámica . La densidad es una propiedad intensiva en el sentido de que aumentar la cantidad de una sustancia no aumenta su densidad; más bien aumenta su masa.

Historia

En un cuento bien conocido pero probablemente apócrifo , a Arquímedes se le encomendó la tarea de determinar si el orfebre del rey Hierón estaba malversando oro durante la fabricación de una corona de oro dedicada a los dioses y reemplazándola por otra aleación más barata . Arquímedes sabía que la corona de forma irregular podía triturarse en un cubo cuyo volumen podía calcularse fácilmente y compararse con la masa; pero el rey no aprobó esto. Desconcertado, se dice que Arquímedes tomó un baño de inmersión y observó desde la subida del agua al entrar que podía calcular el volumen de la corona de oro a través del desplazamiento del agua. Ante este descubrimiento, saltó de su baño y corrió desnudo por las calles gritando: "¡Eureka! ¡Eureka!" (Εύρηκα! Griego "Lo he encontrado"). Como resultado, el término " eureka " entró en el lenguaje común y se usa hoy para indicar un momento de iluminación.

La historia apareció por primera vez en forma escrita en los libros de arquitectura de Vitruvio , dos siglos después de que supuestamente tuvo lugar. Algunos eruditos han dudado de la exactitud de este relato, diciendo, entre otras cosas, que el método habría requerido medidas precisas que habrían sido difíciles de hacer en ese momento.

Medida de densidad

Existen varias técnicas y estándares para la medición de la densidad de materiales. Dichas técnicas incluyen el uso de un hidrómetro (un método de flotabilidad para líquidos), equilibrio hidrostático (un método de flotabilidad para líquidos y sólidos), método de cuerpo sumergido (un método de flotabilidad para líquidos), picnómetro (líquidos y sólidos), picnómetro de comparación de aire ( sólidos), densitómetro oscilante (líquidos), así como vertido y grifo (sólidos). Sin embargo, cada método o técnica individual mide diferentes tipos de densidad (por ejemplo, densidad aparente, densidad esquelética, etc.) y, por lo tanto, es necesario comprender el tipo de densidad que se mide, así como el tipo de material en cuestión.

Unidad

De la ecuación para la densidad ( ρ = m / V ), la densidad de masa tiene cualquier unidad que sea masa dividida por volumen . Como hay muchas unidades de masa y volumen que cubren muchas magnitudes diferentes, hay un gran número de unidades de densidad de masa en uso. La unidad SI de kilogramo por metro cúbico (kg / m 3 ) y la unidad cgs de gramo por centímetro cúbico (g / cm 3 ) son probablemente las unidades más comúnmente utilizadas para la densidad. Un g / cm 3 es igual a 1000 kg / m 3 . Un centímetro cúbico (abreviatura cc) es igual a un mililitro. En la industria, a menudo son más prácticas otras unidades de masa o volumen más grandes o más pequeñas y se pueden usar las unidades habituales de EE. UU . Consulte a continuación una lista de algunas de las unidades de densidad más comunes.

Materiales homogéneos

La densidad en todos los puntos de un objeto homogéneo es igual a su masa total dividida por su volumen total. La masa se mide normalmente con una balanza o balanza ; el volumen puede medirse directamente (a partir de la geometría del objeto) o mediante el desplazamiento de un fluido. Para determinar la densidad de un líquido o un gas, se puede utilizar un hidrómetro , un dasímetro o un caudalímetro de Coriolis , respectivamente. De manera similar, el pesaje hidrostático utiliza el desplazamiento del agua debido a un objeto sumergido para determinar la densidad del objeto.

Materiales heterogéneos

Si el cuerpo no es homogéneo, entonces su densidad varía entre las diferentes regiones del objeto. En ese caso, la densidad alrededor de una ubicación dada se determina calculando la densidad de un pequeño volumen alrededor de esa ubicación. En el límite de un volumen infinitesimal, la densidad de un objeto no homogéneo en un punto se convierte en:, donde es un volumen elemental en la posición . Entonces, la masa del cuerpo se puede expresar como

Materiales no compactos

En la práctica, los materiales a granel como el azúcar, la arena o la nieve contienen huecos. Muchos materiales existen en la naturaleza en forma de escamas, bolitas o gránulos.

Los vacíos son regiones que contienen algo diferente al material considerado. Por lo general, el vacío es aire, pero también puede ser vacío, líquido, sólido o un gas o mezcla gaseosa diferente.

El volumen total de un material, incluida la fracción de huecos, a menudo se obtiene mediante una medición simple (por ejemplo, con una taza de medición calibrada) o geométricamente a partir de dimensiones conocidas.

Masa dividida por mayor volumen determina la densidad aparente . Esto no es lo mismo que la densidad de masa volumétrica.

Para determinar la densidad de masa volumétrica, primero se debe descontar el volumen de la fracción vacía. A veces, esto puede determinarse mediante razonamiento geométrico. Para el empaquetamiento compacto de esferas iguales, la fracción sin vacíos puede ser como máximo alrededor del 74%. También se puede determinar empíricamente. Sin embargo, algunos materiales a granel, como la arena, tienen una fracción de huecos variable que depende de cómo se agita o se vierte el material. Puede ser suelto o compacto, con más o menos espacio de aire dependiendo del manejo.

En la práctica, la fracción vacía no es necesariamente aire, ni siquiera gaseosa. En el caso de la arena, podría ser agua, que puede ser ventajosa para la medición, ya que la fracción vacía de arena saturada en agua, una vez que las burbujas de aire se eliminan por completo, es potencialmente más consistente que la arena seca medida con un vacío de aire.

En el caso de materiales no compactos, también se debe tener cuidado al determinar la masa de la muestra de material. Si el material está bajo presión (comúnmente presión del aire ambiente en la superficie de la tierra), la determinación de la masa a partir de un peso de muestra medido puede necesitar tener en cuenta los efectos de flotabilidad debido a la densidad del constituyente del vacío, dependiendo de cómo se realizó la medición. En el caso de la arena seca, la arena es mucho más densa que el aire, por lo que el efecto de flotabilidad suele pasarse por alto (menos de una parte en mil).

El cambio de masa al desplazar un material vacío con otro mientras se mantiene un volumen constante puede usarse para estimar la fracción de vacíos, si se conoce de manera confiable la diferencia en la densidad de los dos materiales vacíos.

Cambios de densidad

En general, la densidad se puede cambiar cambiando la presión o la temperatura . El aumento de la presión siempre aumenta la densidad de un material. El aumento de la temperatura generalmente disminuye la densidad, pero existen notables excepciones a esta generalización. Por ejemplo, la densidad del agua aumenta entre su punto de fusión a 0 ° C y 4 ° C; Se observa un comportamiento similar en el silicio a bajas temperaturas.

El efecto de la presión y la temperatura sobre las densidades de líquidos y sólidos es pequeño. La compresibilidad de un líquido o sólido típico es 10 −6  bar −1 (1 bar = 0,1 MPa) y una expansividad térmica típica es 10 −5  K −1 . Esto se traduce aproximadamente en la necesidad de alrededor de diez mil veces la presión atmosférica para reducir el volumen de una sustancia en un uno por ciento. (Aunque las presiones necesarias pueden ser unas mil veces menores para suelos arenosos y algunas arcillas). Una expansión del volumen del uno por ciento requiere típicamente un aumento de temperatura del orden de miles de grados Celsius .

Por el contrario, la densidad de los gases se ve fuertemente afectada por la presión. La densidad de un gas ideal es

donde M es la masa molar , P es la presión, R es la constante universal del gas y T es la temperatura absoluta . Esto significa que la densidad de un gas ideal se puede duplicar duplicando la presión o reduciendo a la mitad la temperatura absoluta.

En el caso de expansión térmica volumétrica a presión constante y pequeños intervalos de temperatura, la dependencia de la temperatura de la densidad es:

donde es la densidad a una temperatura de referencia, es el coeficiente de expansión térmica del material a temperaturas cercanas a .

Densidad de soluciones

La densidad de una solución es la suma de las concentraciones de masa (masa) de los componentes de esa solución.

La concentración de masa (masa) de cada componente dado ρ i en una solución se suma a la densidad de la solución.

Expresado en función de las densidades de los componentes puros de la mezcla y su participación volumétrica , permite la determinación de volúmenes molares en exceso :

siempre que no haya interacción entre los componentes.

Conociendo la relación entre los volúmenes en exceso y los coeficientes de actividad de los componentes, se pueden determinar los coeficientes de actividad.

Densidades

Varios materiales

Los elementos químicos seleccionados se enumeran aquí. Para conocer las densidades de todos los elementos químicos, consulte la Lista de elementos químicos
Densidades de varios materiales que cubren una gama de valores.
Material ρ (kg / m 3 ) Notas
Hidrógeno 0.0898
Helio 0,179
Aerografito 0,2
Microrejilla metálica 0,9
Aerogel 1.0
Aire 1.2 Al nivel del mar
Hexafluoruro de tungsteno 12,4 Uno de los gases conocidos más pesados ​​en condiciones estándar
Hidrógeno líquido 70 Aprox. −255 ° C
Espuma de poliestireno 75 Aprox.
corcho 240 Aprox.
Pino 373
Litio 535 Metal menos denso
Madera 700 Sazonado, típico
roble 710
Potasio 860
Hielo 916,7 A temperatura <0 ° C
Aceite de cocina 910–930
Sodio 970
Agua (fresca) 1.000 A 4 ° C, la temperatura de su máxima densidad
Agua (sal) 1.030 3%
Oxígeno líquido 1,141 Aprox. −219 ° C
Nylon 1,150
Plástica 1,175 Aprox .; para polipropileno y PETE / PVC
Glicerol 1.261
Tetracloroeteno 1,622
Arena 1.600 Entre 1.600 y 2000
Magnesio 1.740
Berilio 1.850
Hormigón 2.400
Vidrio 2500
Silicio 2,330
Cuarcita 2600
Granito 2700
Gneis 2700
Aluminio 2700
Caliza 2.750 Compacto
Basalto 3000
Diyodometano 3.325 Líquido a temperatura ambiente
Diamante 3500
Titanio 4.540
Selenio 4.800
Vanadio 6.100
Antimonio 6.690
Zinc 7.000
Cromo 7.200
Estaño 7.310
Manganeso 7.325 Aprox.
Planchar 7.870
Niobio 8.570
Latón 8.600
Cadmio 8,650
Cobalto 8900
Níquel 8900
Cobre 8,940
Bismuto 9,750
Molibdeno 10,220
Plata 10,500
Dirigir 11,340
Torio 11,700
Rodio 12,410
Mercurio 13,546
Tantalio 16.600
Uranio 18.800
Tungsteno 19,300
Oro 19,320
Plutonio 19,840
Renio 21,020
Platino 21.450
Iridio 22.420
Osmio 22,570 Elemento más denso
Notas:

Otros

Entidad ρ (kg / m 3 ) Notas
Medio interestelar 1 × 10 −19 Suponiendo 90% H, 10% He; variable T
La tierra 5.515 Densidad media.
Núcleo interno de la Tierra 13.000 Aprox., Como se indica en la Tierra .
El núcleo del sol 33.000-160.000 Aprox.
Agujero negro supermasivo 9 × 10 5 Densidad equivalente de un agujero negro de 4,5 millones de masa solar
El radio del horizonte de sucesos es de 13,5 millones de km.
Estrella enana blanca 2,1 × 10 9 Aprox.
Núcleos atómicos 2,3 × 10 17 No depende en gran medida del tamaño del núcleo.
Estrella neutrón 1 × 10 18
Agujero negro de masa estelar 1 × 10 18 Densidad equivalente de un agujero negro de 4 masas solares
El radio del horizonte de sucesos es de 12 km.

Agua

Densidad del agua líquida a 1 atm de presión
Temperatura. (° C) Densidad (kg / m 3 )
−30 983.854
−20 993.547
−10 998.117
0 999.8395
4 999.9720
10 999.7026
15 999.1026
20 998.2071
22 997.7735
25 997.0479
30 995.6502
40 992.2
60 983.2
80 971,8
100 958,4
Notas:

Aire

Densidad del aire frente a temperatura
Densidad del aire a 1  atm de presión
T (° C) ρ (kg / m 3 )
−25 1.423
−20 1.395
−15 1.368
−10 1.342
−5 1.316
0 1.293
5 1.269
10 1.247
15 1.225
20 1.204
25 1,184
30 1,164
35 1,146

Volúmenes molares de fase líquida y sólida de elementos.

Volúmenes molares de fase líquida y sólida de elementos.

Unidades comunes

La unidad SI para densidad es:

El litro y las toneladas métricas no forman parte del SI, pero son aceptables para su uso, lo que lleva a las siguientes unidades:

Todas las densidades que utilizan las siguientes unidades métricas tienen exactamente el mismo valor numérico, una milésima del valor en (kg / m 3 ). El agua líquida tiene una densidad de aproximadamente 1 kg / dm 3 , lo que hace que cualquiera de estas unidades SI sea numéricamente conveniente de usar, ya que la mayoría de los sólidos y líquidos tienen densidades entre 0,1 y 20 kg / dm 3 .

  • kilogramo por decímetro cúbico (kg / dm 3 )
  • gramo por centímetro cúbico (g / cm 3 )
    • 1 g / cm 3 = 1000 kg / m 3
  • megagramo (tonelada métrica) por metro cúbico (Mg / m 3 )

En las unidades habituales de EE. UU., La densidad se puede indicar en:

Las unidades imperiales que difieren de las anteriores (como el galón imperial y el bushel difieren de las unidades estadounidenses) en la práctica rara vez se usan, aunque se encuentran en documentos más antiguos. El galón imperial se basó en el concepto de que una onza líquida imperial de agua tendría una masa de una onza Avoirdupois, y de hecho 1 g / cm 3 ≈ 1.00224129 onzas por onza líquida imperial = 10.0224129 libras por galón imperial. La densidad de los metales preciosos concebiblemente podría basarse en Troy onzas y libras, una posible causa de confusión.

Conociendo el volumen de la celda unitaria de un material cristalino y su peso de fórmula (en daltons ), se puede calcular la densidad. Un dalton por ångström cúbico es igual a una densidad de 1.660 539 066 60 g / cm 3 .

Ver también

Referencias

enlaces externos