Densidad

La densidad de una sustancia es la relación entre la masa y el volumen de esa sustancia. La unidad de medida del SI es el kilogramo por metro cúbico, que indica cuánta masa hay dentro de una sustancia.

En mecánica continua la densidad , más correctamente llamada masa volumétrica o masa específica, a menudo se indica con símbolos , o también , se define en el espacio de fase como la integral en el espacio del momento lineal conjugado de la densidad de fase [1] :

,

La masa de un continuo generalmente se define 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 esencial en las ecuaciones de equilibrio .

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

De uso común, a veces se utiliza el kg/ L o su equivalente en g/ mL , que corresponden exactamente a g/cm³.

En el caso de cuerpos sólidos, la densidad puede determinarse 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 que se supone que el cuerpo sólido no es permeable y que tiene una densidad mayor que el fluido en el que se sumerge) el llamado "método de inmersión", que consiste en determinar el volumen del cuerpo sumergiendo el sólido, por ejemplo, en una probeta graduada y obteniendo el volumen del cuerpo como la diferencia entre el volumen del líquido sin el cuerpo sumergido y el volumen del líquido cuando el cuerpo estaba sumergido. Tanto las medidas de la masa como las medidas del volumen del cuerpo se repetirán para limitar los errores accidentales relacionados con las operaciones de medida.

En los fluidos , los cuerpos de menor densidad flotan sobre los de mayor densidad, si se someten a un campo gravitatorio . Esta propiedad es la base del principio de Arquímedes . Por ejemplo, si sumergimos un cuerpo en agua y esta tiene mayor densidad se hundirá, mientras que por el contrario si tiene menor densidad flotará. 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 es en cambio una cantidad adimensional .

Descripción

Densidad relativa

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

La densidad relativa suele definirse 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 la 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 maneras. Los cuerpos sólidos que tienen una densidad superior a la del agua se pesan primero en el aire y luego en agua en condiciones de inmersión total. La densidad relativa se obtiene dividiendo el peso en el aire por la disminución del peso del cuerpo sumergido (ver el principio de Arquímedes ). Para determinar la densidad relativa de los fluidos, se utilizan instrumentos especiales llamados densímetros . Si se requieren mediciones muy precisas, se procede 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 la densidad relativa. [6]

La densidad en la tabla periódica de elementos tiende a crecer en los grupos de arriba a abajo (a excepción del berilio y el 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 masiva de materia sólida, 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 forma formalmente análoga a la densidad absoluta, pero teniendo en cuenta el volumen total ocupado por el sólido o sus dimensiones externas, incluyendo por tanto los espacios vacíos (sólidos con cavidades cerradas, con cavidades abiertas o con estructura esponjosa). La definición de densidad aparente también es válida para materia granular contenida en recipientes 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:

Dónde está:

Alternativamente, se puede utilizar esta otra expresión:

.

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 mismo se llama densidad electrónica. 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 lo tanto, en general, la densidad de una cantidad se expresa a través de 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 otros ámbitos como la geografía : "densidad de población" mide la población de un territorio por unidad de superficie.

Densidad superficial

En el caso de que una cantidad esté distribuida sobre una superficie podemos hablar de densidad superficial de esa cantidad haciendo referencia a la relación entre la cantidad en sí y el área de la superficie sobre la que está distribuida. 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 (H 2 O)

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 a través de la ley de los gases donde en el cálculo V es unitario, p es pascal, T es Kelvin y R es la constante específica para aire seco

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

Notas

  1. ^ Duderstadt et al. , págs. 253 .
  2. ^ La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), IUPAC - densidad (D01590) , en goldbook.iupac.org . Consultado el 11 de noviembre de 2021 .
  3. ^ Corazón , pág. 48 .
  4. ^ Baglioni , pág. 8 _
  5. ^ En este caso hablamos de "densidad relativa con respecto al agua" , o hablamos solo 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.
  6. ^ a b Araneo , pág. 207 .
  7. ^ Marqués , pág. 71 .
  8. ^ Lide , págs. 6-3 .
  9. ^ Agua - densidad y gravedad específica

Bibliografía

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