Densidad

Un cilindro graduado que contiene líquidos de diferentes densidades (aumentando de arriba hacia abajo).

Sólidos de laboratorio típicos para la medición de densidad experimental

Método de inmersión (medición del volumen de cuerpos sólidos de forma irregular)

La densidad de una sustancia es la relación entre la masa y el volumen de esa sustancia. Indica la cantidad de masa presente en 1 m³ de una sustancia.

\rho ={\dfrac {m}{V}}

{\ Displaystyle \ rho = {\ dfrac {m} {V}}}

{\ Displaystyle \ rho = {\ dfrac {m} {V}}}

En mecánica continua la densidad , más correctamente llamada masa volumétrica o masa específica y a menudo indicada con símbolos $\rho$ ${\ Displaystyle \ rho}$ $\ rho$ , $D$ ${\ Displaystyle d}$ $D$ o tambien $\delta$ ${\ Displaystyle \ delta}$ $\delta$ , se define en el espacio de fase como la integral en el espacio del momento lineal conjugado de la densidad de fase ^[1] :

\rho (\mathbf {r} ,t)=\int n(\mathbf {r} ,\mathbf {p} ,t)\,\mathrm {d} p

{\ Displaystyle \ rho (\ mathbf {r}, t) = \ int n (\ mathbf {r}, \ mathbf {p}, t) \, \ mathrm {d} p}

{\ Displaystyle \ rho (\ mathbf {r}, t) = \ int n (\ mathbf {r}, \ mathbf {p}, t) \, \ mathrm {d} p}

,

La masa de un continuo se define generalmente como la integral de la densidad en la región de referencia del espacio de configuración; esta región en la mecánica clásica corresponde al volumen. ^[2] El concepto de densidad es fundamental en las ecuaciones de equilibrio .

m=\int _{V}\rho \,\mathrm {d} r

{\ Displaystyle m = \ int _ {V} \ rho \, \ mathrm {d} r}

{\ Displaystyle m = \ int _ {V} \ rho \, \ mathrm {d} r}

En el Sistema Internacional , la densidad se mide en kg / m³ ; en el sistema CGS en g / cm³ .

En el uso común, a veces se usa el kg / L o equivalente en g / mL , que corresponde exactamente a g / cm³.

En el caso de los cuerpos sólidos, la densidad se puede determinar experimentalmente midiendo la masa del cuerpo sólido examinado con la ayuda de una balanza simple y midiendo el volumen del cuerpo mismo. Si el cuerpo sólido tiene una forma irregular, es decir, no es fácil medir su volumen a través de las fórmulas geométricas ordinarias para calcular el volumen, es posible utilizar (en el caso en el que se asume que el cuerpo sólido no es permeable y que tiene una densidad mayor que el fluido en el que está sumergido) el llamado "método de inmersión", que consiste en determinar el volumen del cuerpo sumergiendo el sólido, por ejemplo, en una probeta y obteniendo el volumen de el cuerpo como la diferencia entre el volumen del líquido sin el cuerpo sumergido y el volumen de líquido cuando el cuerpo estaba sumergido. Tanto las mediciones de la masa como las mediciones del volumen del cuerpo se repetirán para limitar los errores accidentales relacionados con las operaciones de medición.

En los fluidos , los cuerpos con menor densidad flotan sobre aquellos con mayor densidad, cuando se someten a un campo gravitacional . Esta propiedad es la base del principio de Arquímedes .

Se debe tener cuidado de no confundir el concepto de densidad, que es la medida de una masa dividida por un volumen, con el de densidad relativa , que en cambio es una cantidad adimensional .

Descripción

Densidad relativa

El mismo tema en detalle: Densidad relativa .

En general, densidad relativa significa la relación entre la densidad del cuerpo examinado y la de un cuerpo tomado como referencia, para una temperatura y presión determinadas. ^[3] ^[4]

La densidad relativa se define a menudo como la relación entre la densidad del cuerpo examinado y la del agua pura a una temperatura de 4 ° C y una presión de 1 bar o de manera equivalente como la relación entre la masa del cuerpo examinado y el de un volumen igual de agua pura (destilada o desionizada) a una temperatura de 4 ° C y una presión de 1 bar. ^[5] ^[6] ^[7]

La densidad relativa se puede determinar de varias formas. Los cuerpos sólidos que tienen una densidad mayor que la del agua se pesan primero en aire y luego en agua en condiciones de inmersión completa. La densidad relativa se obtiene dividiendo el peso en aire por la disminución de peso del cuerpo sumergido (ver principio de Arquímedes ). Para determinar la densidad relativa de los fluidos, se utilizan instrumentos especiales llamados densímetros . Si se requieren mediciones muy precisas, procedemos determinando la masa de un volumen conocido de líquido o gas en condiciones de temperatura controlada.

La densidad propiamente dicha a veces se denomina densidad absoluta en oposición a densidad relativa. ^[6]

La densidad en la tabla periódica de los elementos tiende a crecer en los grupos de arriba hacia abajo (a excepción del berilio y magnesio), mientras que en los períodos crece de izquierda a derecha hasta boro-aluminio-cobre-rutenio-iridio. y luego disminuye.

Densidad real y densidad aparente

La definición de densidad dada anteriormente se refiere a una cantidad de materia sólida masiva, es decir, sin vacíos internos. También se le llama densidad real ya que solo tiene en cuenta el volumen de la fracción sólida.

La densidad aparente de un cuerpo se calcula de manera formalmente análoga a la densidad absoluta, pero tiene en cuenta el volumen total ocupado por el sólido o sus dimensiones externas, por lo que se incluyen los espacios vacíos (sólidos con cavidades cerradas, con cavidades abiertas o con un estructura esponjosa). La definición de densidad aparente también es válida para la materia granular contenida en contenedores como arena y granos o tierra .

Densidad de una mezcla

Para calcular la densidad de una mezcla que consta de varias sustancias ("componentes") se puede utilizar la siguiente relación:

\rho ={\frac {1}{V}}\sum _{i}m_{i}=\sum _{i}\rho _{i}\,

{\ Displaystyle \ rho = {\ frac {1} {V}} \ sum _ {i} m_ {i} = \ sum _ {i} \ rho _ {i} \,}

\ rho = \ frac {1} {V} \ sum_i m_i = \ sum_i \ rho_i \,

Dónde está:

$m_{i}$ ${\ Displaystyle m_ {i}}$ $me$ es la masa del componente i en la mezcla;
V es el volumen de la mezcla;
ρ _i es la concentración másica del componente i en la mezcla.

Alternativamente, esta otra expresión se puede usar:

\rho =\sum _{i}\rho _{i}^{0}{\frac {V_{i}}{V}}

{\ Displaystyle \ rho = \ sum _ {i} \ rho _ {i} ^ {0} {\ frac {V_ {i}} {V}}}

\ rho = \ sum_i \ rho_i ^ 0 \ frac {V_i} {V}

.

Generalización

El término "densidad" también se puede aplicar a otras cantidades que tienen una distribución espacial. Por ejemplo, la relación entre el número de electrones en un volumen dado y el volumen en sí se llama densidad de electrones. De manera más general, considerando cualquier conjunto de objetos, hablamos de densidad numérica . La relación entre la carga total distribuida en un volumen y el volumen en sí se denomina comúnmente densidad de carga; La energía luminosa por unidad de volumen se define como densidad de energía luminosa. Por tanto, en general, la densidad de una cantidad se expresa mediante la relación entre la cantidad de la cantidad contenida en un volumen asignado y el valor de este último.

En un sentido aún más amplio, el concepto también se ha extendido a otras áreas como la geografía : la "densidad de población" mide la población de un territorio por unidad de superficie.

Densidad de superficie

En el caso de que una cantidad se distribuya sobre una superficie , podemos hablar de densidad superficial de esta cantidad refiriéndonos a la relación entre la propia cantidad y el área de la superficie sobre la que se distribuye. Por ejemplo, en el caso de la carga eléctrica hablamos de densidad de carga superficial . En el caso de una corriente eléctrica a través de un conductor de sección S , la relación entre la corriente y la sección S atravesada se denomina densidad de corriente .

Casos especiales

Densidad del agua (H2O)

La siguiente tabla muestra la densidad del agua en gramos por centímetro cúbico a varias temperaturas (en ° C) ^[8]

Los valores por debajo de 0 ° C se refieren al estado del agua subenfriada . ^[9]

Temperatura (° C)	Densidad (g / cm ³ )	Volumen específico (cm ³ / g)
100	0,9584
80	0,9718	1.0290
60	0,9832	1.0171
40	0,9922	1.00786
30	0.9956502	1.00437
25	0,9970479	1,00296
22	0,9977735	1,00223
20	0.9982071	1,001796
15	0,9991026	1,000898
10	0,9997026	1,000297
4	0,9999720	1.0000280
0	0,9998395	1,00016
−10	0.998117	1,001886
−20	0,993547	1.006495
−30	0,983854	1.01641

Densidad del aire

Obtenido mediante la ley de los gases ${\boldsymbol {\rho }}={\frac {p}{{\bar {R}}\cdot T}}$ ${\ Displaystyle {\ boldsymbol {\ rho}} = {\ frac {p} {{\ bar {R}} \ cdot T}}}$ ${\ Displaystyle {\ boldsymbol {\ rho}} = {\ frac {p} {{\ bar {R}} \ cdot T}}}$ donde en el cálculo V es unitario, p está en pascales, T está en Kelvin y R es la constante específica para aire seco ${\bar {R}}=287.05\,\mathrm {J} \,\mathrm {kg} ^{-1}\,\mathrm {K} ^{-1}$ ${\ Displaystyle {\ bar {R}} = 287,05 \, \ mathrm {J} \, \ mathrm {kg} ^ {- 1} \, \ mathrm {K} ^ {- 1}}$ ${\ Displaystyle {\ bar {R}} = 287,05 \, \ mathrm {J} \, \ mathrm {kg} ^ {- 1} \, \ mathrm {K} ^ {- 1}}$

Temperatura en ° C	Densidad en kg / m ³ (a 1 atm)
–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	1,165

Nota

^ Duderstadt y col. , págs. 253 .
^ (ES) Libro de oro de la IUPAC, "densidad"
^ Corazzon , p. 48 .
^ Baglioni , pág. 8 .
^ En este caso hablamos de "densidad relativa con respecto al agua" , o hablamos únicamente de "densidad relativa" , lo que implica que tomamos como referencia el agua a 4 ° C y 1 bar, ya que esta es la más utilizada.
↑ ^a ^b Araneo , pág. 207 .
^ Marqués , p. 71 .
^ Lide , págs. 6-3 .
^ Agua: densidad y gravedad específica

Bibliografía

Paolo Corazzon, Stefano Bertocchi, Física , Prueba Alfa, 1999, ISBN 88-483-0041-3 .
Piero Baglioni, Química , Florencia, Giunti Editore, 1998, ISBN 88-09-21420-X .
David R. Lide, manual CRC de química y física , 74ª ed., CRC Press, 1993, ISBN 0-8493-0595-0 .
Antonio Araneo, Química. Para escuelas secundarias , PICCIN, 1987, ISBN 88-299-0568-2 .
Bernardo Marchese, Tecnología de materiales y química aplicada , 2a ed., Liguori Editore, 1975, ISBN 88-207-0390-4 .

Otros proyectos

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enlaces externos

Density , en Treccani.it - Enciclopedias en línea ,Instituto de la Enciclopedia Italiana .
( EN ) Density , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

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[1] Duderstadt y col. , págs. 253 .

[2] (ES) Libro de oro de la IUPAC, "densidad"

[3] Corazzon , p. 48 .

[4] Baglioni , pág. 8 .

[5] En este caso hablamos de "densidad relativa con respecto al agua" , o hablamos únicamente de "densidad relativa" , lo que implica que tomamos como referencia el agua a 4 ° C y 1 bar, ya que esta es la más utilizada.

[Araneo207-6] Araneo , pág. 207 .

[7] Marqués , p. 71 .

[8] Lide , págs. 6-3 .

[9] Agua: densidad y gravedad específica

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