Densidad
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La densidad de la masa o la densidad de un material es su masa por unidad de volumen . El símbolo más utilizado para la densidad es ρ (la letra griega minúscula rho). Matemáticamente, se define como la densidad de masa dividido por el volumen:
donde ρ es la densidad, m es la masa, y V es el volumen. En algunos casos (por ejemplo, en los Estados Unidos industria del petróleo y gas), la densidad es también define como su peso por unidad de volumen , aunque esta cantidad es más propiamente llamado peso específico.
Diferentes materiales por lo general tienen diferentes densidades, y la densidad pueden ser relevantes para flotabilidad, la pureza y la envasado. osmio y el iridio son los elementos más densos conocidos en condiciones normales de temperatura y presión, pero ciertos compuestos químicos pueden ser más densa.
Líquidos menos densos flotan en los fluidos más densos si no se mezclan. Este concepto puede extenderse, con un poco de atención, a los sólidos menos densos flotan en líquidos más densos. Si la densidad media (incluyendo cualquier aire por debajo de la línea de flotación) de un objeto es menor que el agua flotará en el agua y si es más que el agua se hundirá en el agua.
La densidad se expresa a veces por el cantidad adimensional " gravedad específica "o" densidad relativa ", es decir, la relación de la densidad del material a la de un material estándar, por lo general agua. Así, un peso específico menor que uno significa que la sustancia flota en el agua.
La densidad de un material varía con la temperatura y la presión. Esta variación es típicamente pequeña de sólidos y líquidos, pero mucho mayor para los gases. El aumento de 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 pocas excepciones) disminuye su densidad mediante el aumento de su volumen. En la mayoría de los materiales, el calentamiento de la parte inferior de un fluido en los resultados la convección del calor desde la parte inferior a la parte superior, debido a la disminución en la densidad del fluido calentado. Esto hace que se eleve en relación con el material sin calentar más densa.
El recíproco de la densidad de una sustancia es ocasionalmente llamada su volumen específico, un término utilizado a veces en la termodinámica . La densidad es una propiedad intensiva en que el aumento de la cantidad de una sustancia no aumenta su densidad; sino que aumenta su masa.
Historia
En un cuento muy conocido pero probablemente apócrifa, Arquímedes se le dio la tarea de determinar si Rey Hiero de orfebre estaba malversando oro durante la fabricación de un oro ofrenda floral dedicada a los dioses y su sustitución por otro, más barato aleación. Arquímedes sabía que la corona de forma irregular podría ser aplastado en un cubo cuyo volumen podría calcularse fácilmente y en comparación con la masa; pero el rey no estaba de acuerdo con esto. Desconcertado, se dice que Arquímedes haber tomado un baño de inmersión y se observa desde la subida del agua al entrar en que podía calcular el volumen de la corona de oro a través de la desplazamiento del agua. Tras este descubrimiento, saltó de su baño y corrió desnudo por las calles gritando "¡Eureka! ¡Eureka!" (Εύρηκα! Griega "lo he encontrado"). Como resultado, el término " eureka "entró en el lenguaje común y se utiliza hoy para indicar un momento de iluminación.
La historia apareció por primera vez en forma escrita en Vitruvio libros de arquitectura, dos siglos después de que supuestamente tuvieron lugar. Algunos estudiosos han dudado de la veracidad de este relato, diciendo entre otras cosas que el método se habría requerido medidas precisas que hubieran sido difíciles de hacer en el momento.
De la ecuación para la densidad (ρ = m V /), densidad de masa tiene unidades de masa dividido por el volumen. Como hay muchas unidades de masa y volumen que abarca muchas magnitudes distintas 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 utilizadas para la densidad. (El centímetro cúbico puede ser alternativamente llama un mililitro o un cc.) 1000 kg / m 3 es igual a uno g / cm 3. En la industria, otras unidades más grandes o más pequeñas de masa o volumen y son a menudo más práctico y Las unidades de EE.UU. pueden ser utilizados. Vea a continuación una lista de algunas de las unidades más comunes de la densidad.
Medida de la densidad
La densidad en todos los puntos de una homogénea objeto es igual a su masa total dividido por su volumen total. La masa se mide normalmente con una escala o el balance; el volumen puede medirse directamente (a partir de la geometría del objeto) o por el desplazamiento de un fluido. Para determinar la densidad de un líquido o un gas, una hidrómetro o dasymeter se puede utilizar, respectivamente. Del mismo modo, pesaje hidrostático utiliza el desplazamiento de agua debido a un objeto sumergido para determinar la densidad del objeto.
Si el cuerpo no es homogénea, a continuación, su densidad varía entre las diferentes regiones del objeto. En ese caso, la densidad de alrededor de cualquier ubicación dada se determina mediante el cálculo de la densidad de un pequeño volumen alrededor de esa ubicación. En el límite de un volumen infinitesimal la densidad de un objeto no homogénea en un punto es: ρ (r) = dm / dV, donde dV es un volumen elemental en la posición r. La masa del cuerpo, entonces se puede expresar como
La densidad del material granular puede ser ambiguo, dependiendo de exactamente cómo se define su volumen, y esto puede causar confusión en la medición. Un ejemplo común es la arena: si se vierte suavemente en un recipiente, la densidad será baja; si se compacta a continuación, la misma arena, ocupará menos volumen y por consiguiente exhiben una mayor densidad. Esto es porque la arena, como todos los polvos y sólidos granulares, contiene una gran cantidad de espacio de aire entre los granos individuales. La densidad del material, incluyendo los espacios de aire es la densidad aparente, que difiere significativamente de la densidad de un grano individual de arena sin aire incluido.
Los cambios de densidad
En general, la densidad se puede cambiar mediante el cambio o bien el 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 hay excepciones notables a esta generalización. Por ejemplo, la densidad del agua aumenta entre su punto de fusión a 0 ° C y 4 ° C; comportamiento similar se observa en el silicio a bajas temperaturas.
El efecto de la presión y la temperatura sobre las densidades de los líquidos y sólidos es pequeño. La compresibilidad de un líquido o sólido típico es 10 -6 -1 bar (1 bar = 0,1 MPa) y una típica expansividad térmica es 10 -5 K -1. Esto se traduce aproximadamente en necesidad de alrededor de diez mil veces la presión atmosférica para reducir el volumen de una sustancia en uno por ciento. (Aunque las presiones necesarias puede ser alrededor de mil veces más pequeño para el suelo arenoso y algunas arcillas.) Un uno por ciento de expansión de volumen típicamente requiere un aumento de temperatura del orden de miles de grados Celsius .
En contraste, la densidad de los gases es fuertemente afectada por la presión. La densidad de una gas ideal es
donde M es la masa molar , P es la presión, R es la constante universal de los gases, y T es la temperatura absoluta . Esto significa que la densidad de un gas ideal se puede doblar por la duplicación de la presión, o por reducir 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 concentraciones de los componentes de esta solución de masas (másico).
Masa (másico) concentración de cada componente dado ρ i en una solución de sumas a la densidad de la solución.
Expresado como una función de las densidades de los componentes puros de la mezcla y su participación volumen, se lee:
a condición de que no hay interacción entre los componentes.
Densidades
Agua
Densidad del agua a 1 atm de presión:
| Temperatura (° C) | Densidad (kg / m 3) |
|---|---|
| 100 | 958.4 |
| 80 | 971.8 |
| 60 | 983.2 |
| 40 | 992.2 |
| 30 | 995.6502 |
| 25 | 997.0479 |
| 22 | 997.7735 |
| 20 | 998.2071 |
| 15 | 999.1026 |
| 10 | 999.7026 |
| 4 | 999.9720 |
| 0 | 999.8395 |
| -10 | 998.117 |
| -20 | 993.547 |
| -30 | 983.854 |
| Los valores por debajo de 0 ° C se refieren a agua-enfriada. | |
Aire
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 |
Varios materiales
A menos que se indique lo contrario, todas las densidades dadas son en condiciones normales de temperatura y presión, es decir, 273,15 K (0.00 ° C) y 100 kPa (0,987 atm).
| Material | ρ (kg / m 3) | Notas |
|---|---|---|
| Aire | 1.2 | A nivel del mar |
| Aerographite | 0.2 | * |
| Microrretícula metálica | 0.9 | * |
| Aerogel | 1.0 | * |
| Espuma de poliestireno | 75 | Aprox. |
| hidrógeno líquido | 70 | En ~ -255 ° C |
| Corcho | 240 | Aprox. |
| Litio | 535 | |
| Madera | 700 | Sazonado, típico |
| Potasio | 860 | |
| Sodio | 970 | |
| Hielo | 916.7 | A temperatura <0 ° C |
| Agua (fresco) | 1000 | |
| Agua (sal) | 1030 | |
| Plástica | 1175 | Aprox .; para polipropileno y PETE / PVC |
| Tetracloroeteno | 1622 | |
| Magnesio | 1740 | |
| Berilio | 1850 | |
| Glicerol | 1261 | |
| Silicio | 2330 | |
| Aluminio | 2700 | |
| Diyodometano | 3325 | líquido a temperatura ambiente |
| Diamante | 3500 | |
| Titanio | 4540 | |
| Selenio | 4800 | |
| Vanadio | 6100 | |
| Antimonio | 6690 | |
| Zinc | 7000 | |
| Cromo | 7200 | |
| Manganeso | 7325 | Aprox. |
| Estaño | 7310 | |
| Hierro | 7870 | |
| Niobio | 8570 | |
| Cadmio | 8650 | |
| Cobalto | 8900 | |
| Níquel | 8900 | |
| Cobre | 8940 | |
| Bismuto | 9750 | |
| Molibdeno | 10220 | |
| Plata | 10500 | |
| Plomo | 11340 | |
| Torio | 11700 | |
| Rodio | 12410 | |
| Mercurio | 13546 | |
| Tantalio | 16600 | |
| Uranio | 18800 | |
| Tungsteno | 19300 | |
| Oro | 19320 | |
| Plutonio | 19840 | |
| Platino | 21450 | |
| Iridium | 22420 | |
| Osmio | 22570 |
* Aire excluidos en el cálculo de la densidad
Otros
| Entidad | ρ (kg / m 3) | Notas |
|---|---|---|
| Medio interestelar | 1 × 10 -19 | Suponiendo que 90% de H, 10% de He; T variable de |
| La Tierra | 5515 | Densidad media. |
| La Núcleo interno de la Tierra | 13000 | Aprox., Que se enumeran en la Tierra . |
| El núcleo del Sol | 33,000-160,000 | Aprox. |
| Negro agujero supermasivo | 9 × 10 5 | La densidad de un agujero negro de 4.5 millones de masas solares Horizonte de sucesos radio es de 13,5 millones kilometros. |
| Enana blanca estrella | 2,1 × 10 9 | Aprox. |
| Los núcleos atómicos | 2,3 × 10 17 | No depende mucho del tamaño del núcleo |
| Estrella de neutrones | 1 × 10 18 | |
| De masa estelar agujero Negro | 1 × 10 18 | La densidad de un agujero negro de 4 masas solares Horizonte de sucesos radio de 12 km. |
Otras unidades comunes
La Unidad SI para la densidad es:
- kilogramos por metro cúbico (kg / m 3)
Litros y toneladas métricas no son parte de la IS, pero son aceptables para su uso con él, lo que lleva a las siguientes unidades:
- kilogramos por litro (kg / l)
- gramos por mililitro (g / ml)
- toneladas métricas por metro cúbico (t / m 3)
Densidades utilizando las siguientes unidades métricas todos tienen exactamente el mismo valor numérico, una milésima parte del valor en (kg / m 3). Liquid agua tiene una densidad de aproximadamente 1 kg / dm 3, por lo que cualquiera de estas unidades SI numéricamente convenientes para usar como la mayoría de los sólidos y líquidos tienen densidades entre 0,1 y 20 kg / dm 3.
- kilogramos por decímetro cúbico (kg / dm3)
- gramos por centímetro cúbico (g / cc, gm / cc o g / cm 3)
- 1 gramo / cm 3 = 1000 kg / m 3
- megagramos (toneladas métricas) por metro cúbico (mg / m3)
En Las unidades de EE.UU. densidad puede afirmar en:
- Onzas avoirdupois por pulgada cúbica (oz / cu in)
- Libras por pulgada cúbica Avoirdupois (lb / cu in)
- libras por pie cúbico (lb / ft cu)
- libras por yarda cúbica (lb / cu m)
- libras por EEUU galón líquido (lb / gal)
- libras por cada US bushel (lb / bu)
- babosas por pie cúbico
Unidades imperiales que difieren de los anteriores (como el galón imperial y bushel difieren de las unidades de EE.UU.), en la práctica rara vez se utilizan, aunque se encuentra en los documentos más antiguos. La densidad de metales preciosos concebiblemente podrían basarse en Onzas y libras troy, una posible causa de confusión.
