Densidade - Density

Densidade
Artsy densidade column.png
Um cilindro graduado contendo vários líquidos coloridos não miscíveis com diferentes densidades
Símbolos comuns
ρ , D
Unidade SI kg / m 3
Extensivo ? Não
Intensivo ? sim
Conservado ? Não
Derivações de
outras quantidades
Dimensão

A densidade (mais precisamente, a densidade de massa volumétrica ; também conhecida como massa específica ), de uma substância é sua massa por unidade de volume . O símbolo mais usado para densidade é ρ (a letra grega minúscula rho ), embora a letra latina D também possa ser usada. Matematicamente, a densidade é definida como a massa dividida pelo volume:

onde ρ é a densidade, m é a massa e V é o volume. Em alguns casos (por exemplo, na indústria de petróleo e gás dos Estados Unidos), a densidade é vagamente definida como seu peso por unidade de volume , embora seja cientificamente impreciso - essa quantidade é mais especificamente chamada de peso específico .

Para uma substância pura, a densidade tem o mesmo valor numérico que sua concentração de massa . Materiais diferentes geralmente têm densidades diferentes, e a densidade pode ser relevante para a flutuabilidade , pureza e embalagem . Ósmio e irídio são os elementos mais densos conhecidos nas condições padrão de temperatura e pressão .

Para simplificar as comparações de densidade em diferentes sistemas de unidades, às vezes é substituída pela quantidade adimensional " densidade relativa " ou " gravidade específica ", ou seja, a razão entre a densidade do material e a de um material padrão, geralmente água. Assim, uma densidade relativa menor que um em relação à água significa que a substância flutua na água.

A densidade de um material varia com a temperatura e a pressão. Essa variação é normalmente pequena para sólidos e líquidos, mas muito maior para gases. Aumentar a pressão em um objeto diminui o volume do objeto e, portanto, aumenta sua densidade. O aumento da temperatura de uma substância (com algumas exceções) diminui sua densidade, aumentando seu volume. Na maioria dos materiais, o aquecimento do fundo de um fluido resulta na convecção do calor de baixo para cima, devido à diminuição da densidade do fluido aquecido, o que faz com que ele suba em relação ao material não aquecido mais denso.

O recíproco da densidade de uma substância é ocasionalmente chamado de seu volume específico , um termo às vezes usado em termodinâmica . A densidade é uma propriedade intensiva em que aumentar a quantidade de uma substância não aumenta sua densidade; em vez disso, aumenta sua massa.

História

Em um conto bem conhecido, mas provavelmente apócrifo , Arquimedes recebeu a tarefa de determinar se o ourives do rei Hiero estava roubando ouro durante a fabricação de uma coroa de ouro dedicada aos deuses e substituindo-a por outra liga mais barata . Arquimedes sabia que a coroa de forma irregular poderia ser esmagada em um cubo cujo volume poderia ser calculado facilmente e comparado com a massa; mas o rei não aprovou isso. Perplexo, Arquimedes disse ter tomado um banho de imersão e observado, a partir do aumento da água ao entrar, que ele poderia calcular o volume da coroa de ouro através do deslocamento da água. Após essa descoberta, ele saltou de seu banho e correu nu pelas ruas gritando: "Eureka! Eureka!" (Εύρηκα! Grego "Eu encontrei"). Como resultado, o termo " eureka " entrou na linguagem comum e é usado hoje para indicar um momento de iluminação.

A história apareceu pela primeira vez na forma escrita em Vitrúvio ' livros de arquitetura , dois séculos depois que ele supostamente ocorreu. Alguns estudiosos duvidaram da precisão dessa história, dizendo, entre outras coisas, que o método teria exigido medições precisas que seriam difíceis de fazer na época.

Medição de densidade

Existem várias técnicas e padrões para a medição da densidade dos materiais. Essas técnicas incluem o uso de um hidrômetro (um método de flutuabilidade para líquidos), equilíbrio hidrostático (um método de flutuabilidade para líquidos e sólidos), método de corpo imerso (um método de flutuabilidade para líquidos), picnômetro (líquidos e sólidos), picnômetro de comparação de ar ( sólidos), densitômetro oscilante (líquidos), bem como verter e bater (sólidos). No entanto, cada método ou técnica individual mede diferentes tipos de densidade (por exemplo, densidade aparente, densidade esquelética, etc.) e, portanto, é necessário ter uma compreensão do tipo de densidade sendo medida, bem como o tipo de material em questão.

Unidade

Pela equação da densidade ( ρ = m / V ), a densidade de massa tem qualquer unidade que é massa dividida pelo volume . Como há muitas unidades de massa e volume cobrindo muitas magnitudes diferentes, há um grande número de unidades de densidade de massa em uso. A unidade SI de quilograma por metro cúbico (kg / m 3 ) e a unidade cgs de grama por centímetro cúbico (g / cm 3 ) são provavelmente as unidades mais comumente usadas para densidade. Um g / cm 3 é igual a 1000 kg / m 3 . Um centímetro cúbico (abreviatura cc) é igual a um mililitro. Na indústria, outras unidades maiores ou menores de massa e / ou volume são freqüentemente mais práticas e as unidades usuais dos EUA podem ser usadas. Veja abaixo uma lista de algumas das unidades de densidade mais comuns.

Materiais homogêneos

A densidade em todos os pontos de um objeto homogêneo é igual a sua massa total dividida por seu volume total. A massa é normalmente medida com uma escala ou balança ; o volume pode ser medido diretamente (a partir da geometria do objeto) ou pelo deslocamento de um fluido. Para determinar a densidade de um líquido ou gás, um hidrômetro , um dosímetro ou um medidor de fluxo Coriolis podem ser usados, respectivamente. Da mesma forma, a pesagem hidrostática usa o deslocamento da água devido a um objeto submerso para determinar a densidade do objeto.

Materiais heterogêneos

Se o corpo não for homogêneo, sua densidade varia entre as diferentes regiões do objeto. Nesse caso, a densidade em torno de qualquer local é determinada pelo cálculo da densidade de um pequeno volume em torno desse local. No limite de um volume infinitesimal, a densidade de um objeto não homogêneo em um ponto torna-se:, onde é um volume elementar na posição . A massa do corpo, então, pode ser expressa como

Materiais não compactos

Na prática, materiais a granel, como açúcar, areia ou neve, contêm vazios. Muitos materiais existem na natureza como flocos, pelotas ou grânulos.

Os vazios são regiões que contêm algo diferente do material considerado. Normalmente, o vazio é o ar, mas também pode ser vácuo, líquido, sólido ou um gás diferente ou mistura gasosa.

O volume a granel de um material - incluindo a fração de vazio - é freqüentemente obtido por uma medição simples (por exemplo, com um copo de medição calibrado) ou geometricamente a partir de dimensões conhecidas.

Massa dividida pela massa volume determina a densidade a granel . Isso não é a mesma coisa que densidade de massa volumétrica.

Para determinar a densidade de massa volumétrica, deve-se primeiro descontar o volume da fração de vazio. Às vezes, isso pode ser determinado por raciocínio geométrico. Para o empacotamento próximo de esferas iguais, a fração não vazia pode ser no máximo cerca de 74%. Também pode ser determinado empiricamente. Alguns materiais a granel, no entanto, como areia, têm uma fração de vazios variável que depende de como o material é agitado ou derramado. Pode ser solto ou compacto, com mais ou menos espaço de ar dependendo do manuseio.

Na prática, a fração de vazio não é necessariamente ar, ou mesmo gasosa. No caso da areia, pode ser água, o que pode ser vantajoso para medição, pois a fração de vazio para areia saturada em água - uma vez que todas as bolhas de ar são totalmente expelidas - é potencialmente mais consistente do que areia seca medida com um vazio de ar.

No caso de materiais não compactos, deve-se tomar cuidado também na determinação da massa da amostra de material. Se o material estiver sob pressão (comumente pressão do ar ambiente na superfície da terra), a determinação da massa de um peso de amostra medido pode precisar levar em conta os efeitos de flutuabilidade devido à densidade do constituinte vazio, dependendo de como a medição foi conduzida. No caso da areia seca, a areia é muito mais densa que o ar que o efeito de flutuabilidade é comumente negligenciado (menos de uma parte em mil).

A mudança de massa ao deslocar um material vazio por outro, mantendo o volume constante, pode ser usada para estimar a fração de vazio, se a diferença na densidade dos dois materiais vazios for conhecida de forma confiável.

Mudanças de densidade

Em geral, a densidade pode ser alterada alterando a pressão ou a temperatura . Aumentar a pressão sempre aumenta a densidade de um material. O aumento da temperatura geralmente diminui a densidade, mas há exceções notáveis ​​a essa generalização. Por exemplo, a densidade da água aumenta entre seu ponto de fusão em 0 ° C e 4 ° C; comportamento semelhante é observado no silício em baixas temperaturas.

O efeito da pressão e da temperatura nas densidades de líquidos e sólidos é pequeno. A compressibilidade para um líquido ou sólido típico é 10 −6  bar −1 (1 bar = 0,1 MPa) e uma expansividade térmica típica é 10 −5  K −1 . Isso se traduz aproximadamente na necessidade de cerca de dez mil vezes a pressão atmosférica para reduzir o volume de uma substância em um por cento. (Embora as pressões necessárias possam ser cerca de mil vezes menores para solo arenoso e algumas argilas.) Uma expansão de um por cento do volume normalmente requer um aumento de temperatura da ordem de milhares de graus Celsius .

Em contraste, a densidade dos gases é fortemente afetada pela pressão. A densidade de um gás ideal é

onde M é a massa molar , P é a pressão, R é a constante universal do gás e T é a temperatura absoluta . Isso significa que a densidade de um gás ideal pode ser duplicada dobrando a pressão ou reduzindo pela metade a temperatura absoluta.

No caso de expansão térmica volumétrica a pressão constante e pequenos intervalos de temperatura, a dependência da densidade da temperatura é:

onde é a densidade em uma temperatura de referência, é o coeficiente de expansão térmica do material em temperaturas próximas a .

Densidade de soluções

A densidade de uma solução é a soma das concentrações de massa (mássica) dos componentes dessa solução.

A concentração de massa (mássica) de cada componente dado ρ i em uma solução soma a densidade da solução.

Expresso em função das densidades dos componentes puros da mistura e de sua participação volumétrica , permite a determinação dos volumes molares excedentes :

desde que não haja interação entre os componentes.

Conhecendo a relação entre o excesso de volumes e os coeficientes de atividade dos componentes, pode-se determinar os coeficientes de atividade.

Densidades

Vários materiais

Os elementos químicos selecionados estão listados aqui. Para as densidades de todos os elementos químicos, consulte Lista de elementos químicos
Densidades de vários materiais cobrindo uma gama de valores
Material ρ (kg / m 3 ) Notas
Hidrogênio 0,0898
Hélio 0,179
Aerographite 0,2
Microlattice metálico 0.9
Aerogel 1.0
Ar 1,2 Ao nível do mar
Hexafluoreto de tungstênio 12,4 Um dos gases mais pesados ​​conhecidos em condições padrão
Hidrogênio líquido 70 Em aprox. -255 ° C
isopor 75 Aproximadamente.
Cortiça 240 Aproximadamente.
Pinho 373
Lítio 535 Metal menos denso
Madeira 700 Temperado, típico
Carvalho 710
Potássio 860
Gelo 916,7 Em temperatura <0 ° C
Óleo de cozinha 910-930
Sódio 970
Água (fresca) 1.000 A 4 ° C, a temperatura de sua densidade máxima
Água (sal) 1.030 3%
Oxigênio líquido 1.141 Em aprox. -219 ° C
Nylon 1.150
Plásticos 1.175 Aproximadamente.; para polipropileno e PETE / PVC
Glicerol 1.261
Tetracloroeteno 1.622
Areia 1.600 Entre 1.600 e 2.000
Magnésio 1.740
Berílio 1.850
Concreto 2.400
Copo 2.500
Silício 2.330
Quartzito 2.600
Granito 2.700
Gneisse 2.700
Alumínio 2.700
Calcário 2.750 Compactar
Basalto 3.000
Diiodometano 3.325 Líquido à temperatura ambiente
Diamante 3.500
Titânio 4.540
Selênio 4.800
Vanádio 6.100
Antimônio 6.690
Zinco 7.000
Cromo 7.200
Lata 7.310
Manganês 7.325 Aproximadamente.
Ferro 7.870
Nióbio 8.570
Latão 8.600
Cádmio 8.650
Cobalto 8.900
Níquel 8.900
Cobre 8.940
Bismuto 9.750
Molibdênio 10.220
Prata 10.500
Liderar 11.340
Tório 11.700
Ródio 12.410
Mercúrio 13.546
Tântalo 16.600
Urânio 18.800
Tungstênio 19.300
Ouro 19.320
Plutônio 19.840
Rênio 21.020
Platina 21.450
Iridium 22.420
Ósmio 22.570 Elemento mais denso
Notas:

Outros

Entidade ρ (kg / m 3 ) Notas
Meio interestelar 1 × 10 −19 Assumindo 90% H, 10% He; variável T
A terra 5.515 Densidade média.
Núcleo interno da terra 13.000 Aprox., Conforme listado na Terra .
O núcleo do Sol 33.000-160.000 Aproximadamente.
Buraco negro supermassivo 9 × 10 5 Densidade equivalente de um buraco negro de massa solar de 4,5 milhões
O raio do horizonte de eventos é de 13,5 milhões de km.
Estrela anã branca 2,1 × 10 9 Aproximadamente.
Núcleos atômicos 2,3 × 10 17 Não depende fortemente do tamanho do núcleo
Estrêla de Neutróns 1 × 10 18
Buraco negro de massa estelar 1 × 10 18 Densidade equivalente de um buraco negro de 4 massas solares
O raio do horizonte de eventos é de 12 km.

Água

Densidade de água líquida a 1 atm de pressão
Temp. (° C) Densidade (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:

Ar

Densidade do ar vs. temperatura
Densidade de ar a 1  atm de pressão
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

Volumes molares de fase líquida e sólida de elementos

Volumes molares de fase líquida e sólida de elementos

Unidades comuns

A unidade SI para densidade é:

O litro e as toneladas métricas não fazem parte do SI, mas são aceitáveis ​​para uso com ele, resultando nas seguintes unidades:

Todas as densidades usando as seguintes unidades métricas têm exatamente o mesmo valor numérico, um milésimo do valor em (kg / m 3 ). A água líquida tem uma densidade de cerca de 1 kg / dm 3 , tornando qualquer uma dessas unidades do SI numericamente conveniente para uso, já que a maioria dos sólidos e líquidos tem densidades entre 0,1 e 20 kg / dm 3 .

  • quilograma por decímetro cúbico (kg / dm 3 )
  • grama por centímetro cúbico (g / cm 3 )
    • 1 g / cm 3 = 1000 kg / m 3
  • megagrama (tonelada métrica) por metro cúbico (Mg / m 3 )

Nas unidades usuais dos EUA, a densidade pode ser declarada em:

Unidades imperiais diferentes das anteriores (como o galão imperial e o alqueire diferem das unidades dos EUA) na prática raramente são usadas, embora sejam encontradas em documentos mais antigos. O galão Imperial foi baseado no conceito de que uma onça fluida Imperial de água teria uma massa de uma onça Avoirdupois e, de fato, 1 g / cm 3 ≈ 1,00224129 onças por onça fluida Imperial = 10,0224129 libras por galão Imperial. A densidade dos metais preciosos poderia ser baseada nas onças e libras Troy , uma possível causa de confusão.

Conhecendo o volume da célula unitária de um material cristalino e seu peso de fórmula (em daltons ), a densidade pode ser calculada. Um dalton por ångström cúbico é igual a uma densidade de 1,660 539 066 60 g / cm 3 .

Veja também

Referências

links externos