La masse volumique est une quantité intensive de matière en physique et en chimie qui exprime la quantité de masse de cette matière présente dans un volume donné. Cette propriété physique de la matière est indiquée par la lettre grecque .
Pour calculer la masse volumique, cette formule est utilisée :
Où,
-
m est la masse
-
V est le volume
Dans le système SI, la masse volumique est exprimée en kilogrammes par mètre cube (kg / m3), mais l'unité la plus ancienne (du système cgs) en grammes par centimètre cube (g / cm3) ou en kilogrammes par décimètre cube est également utilisée.
Pour calculer le volume d'un objet, on peut recourir au bain d'immersion réalisé par Archimède . Il s'agit d'immerger l'objet dans un récipient dont la section a une surface facile à calculer et de multiplier la surface par la différence de hauteur de la surface de l'eau.
La densité de l'eau distillée à une pression de 1 atm et à une température de 4°C est de 1000 kilogrammes par mètre cube (kg/m³), soit 1 kg par litre.
Comment la pression et la température affectent-elles la masse volumique ?
La masse volumique d'une substance est généralement calculée à une certaine température et pression car elle dépend de la taille de ces quantités intensives.
Pour la plupart des substances, le volume augmente linéairement avec l'augmentation de la température. Cette dépendance à la température de la masse volumique est exprimée dans le coefficient de dilatation d'une substance.
L'eau, entre autres, fait exception à cette règle. Surtout à des températures plus basses, le coefficient de dilatation de l'eau montre un comportement déviant : vers 4°C le coefficient de dilatation de l'eau a un minimum.
Le rapport masse/volume d'une substance augmente généralement de manière linéaire à des pressions hydrostatiques plus élevées. Cette compressibilité s'exprime dans le module de compression. Le module de compression est étroitement lié à l'élasticité d'un matériau, qui s'exprime dans le module d'élasticité.
Comment la masse volumique varie-t-elle entre les gaz, les liquides et les solides ?
La masse volumique d'une substance diffère selon l'état d'agrégation dans des conditions standard. En général, la densité d'une substance dans la phase solide est plus élevée que dans la phase liquide.
En revanche, celle des gaz est bien inférieure à celle des liquides et solides dans des conditions standards.
Des gaz
Un gaz se comporte généralement comme un gaz parfait à moins que la pression ne soit très élevée ou que la température soit bien inférieure à la température critique du gaz. Pour un gaz parfait, la masse volumique peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
où:
-
M est la masse molaire.
-
P est la pression.
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R est la constante du gaz.
-
T est la température absolue.
Liquides et solides
Les solides à structure cristalline ouverte ont une densité relativement plus faible que les solides à structure cristalline dense, tels que les métaux et les alliages.
En fondant, l'ordre de la structure cristalline du solide est perdu et les liaisons dans le cristal sont rompues. En conséquence, la distance moyenne entre les atomes ou les molécules augmente de sorte que la plupart des substances se dilatent pendant la fusion. Par conséquent, la densité d'une substance diminue généralement pendant la fusion.
Types de masses volumiques
Il existe trois formes différentes de masse volumique : absolue, relative et apparente. Chacune de ces densités a son propre objectif et sa propre application, et ensemble, elles offrent une vision plus complète de la relation entre les matériaux et les substances et leur masse et leur volume.
Masse volumique absolue
La masse volumique absolue est le même concept que la densité de masse (ρ). Il représente la quantité de masse (m) contenue dans un volume donné (V) et est mesuré en unités de masse par unité de volume, telles que les kilogrammes par mètre cube (kg/m³).
Il s'agit de la masse volumique standard utilisée dans la plupart des applications physiques et scientifiques.
Masse volumique relative
La masse volumique relative, également connue sous le nom de gravité spécifique, fait référence au rapport entre la densité d'une substance et celle de l'eau (à une température et une pression spécifiques).
Puisque l'eau est prise comme référence, la densité relative n'a pas d'unité et est exprimée sous forme de nombre sans dimension. Si la masse volumique relative est inférieure à 1, cela signifie que la substance est moins dense que l'eau, et si elle est supérieure à 1, elle est plus dense.
Masse volumique apparente
La masse volumique apparente est utilisée dans le contexte de matériaux granulaires, tels que des particules solides ou des mélanges. Il fait référence à la masse totale d'un système divisée par son volume total, incluant à la fois les particules solides et les espaces vides entre elles.
La masse volumique apparente est généralement inférieure à la densité réelle des solides individuels en raison de la présence de porosité et d'espaces vides.
Exemples de densités
Ci-dessous, je joins un tableau avec des exemples de différentes substances et leurs densités :
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Substance |
Masse volumique (g/cm³) |
Description |
|
Eau (à 25°C) |
1,00 |
L'eau est une substance commune, essentielle à la vie. |
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Fer |
7,87 |
Le fer est un métal dense utilisé dans l’industrie et la construction. |
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Or |
19,32 |
L'or est un métal précieux connu pour sa grande valeur et sa brillance. |
|
Plomb |
11,34 |
Le plomb est un métal lourd utilisé dans diverses applications, comme les batteries. |
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Air (à 0°C et 1 atm) |
0,001225 |
L'air est un mélange de gaz qui entoure la Terre. |
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Aluminium |
2,70 |
L’aluminium est un métal léger largement utilisé dans l’industrie et la construction. |
|
Bois de chêne) |
0,75 - 0,95 |
Le bois est un matériau organique utilisé dans la construction et la fabrication de meubles. |
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Hélium (à 0°C et 1 atm) |
0,0001785 |
L'hélium est un gaz léger utilisé dans les ballons et les applications cryogéniques. |
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diamant |
3.51 |
Le diamant est une forme cristalline du carbone et constitue l’une des substances les plus dures connues. |
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Mercure |
13.53 |
Le mercure est un métal liquide à température ambiante, utilisé dans les thermomètres et les appareils de mesure. |
| Huile d'olive | 0,92 - 0,92 | L'huile d'olive est un liquide naturel très utilisé en cuisine et en gastronomie. |
Matériaux utilisés comme combustible nucléaire
Ci-dessous je joins la densité des matériaux directement liés à l'énergie nucléaire. Ces matériaux sont essentiels dans diverses applications de l’industrie nucléaire et dans la production d’énergie électrique dans les centrales nucléaires.
Ces valeurs peuvent varier en fonction de la forme et de l'état du matériau, ce sont donc des valeurs approximatives.
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Substance |
Masse volumique (g/cm³) |
Description |
|
19.05 |
L'uranium est un métal lourd utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires pour produire de l'énergie. |
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19.86 |
Le plutonium est un autre matériau utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires et les armes nucléaires. |
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Uranium appauvri |
19.1 |
L'uranium appauvri est de l'uranium qui présente une concentration réduite de l'isotope fissile U-235 et est utilisé dans des applications militaires et civiles. |
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Tritium |
0,08 |
Le tritium est un isotope radioactif de l'hydrogène utilisé dans la production d'énergie de fusion nucléaire et dans les dispositifs d'éclairage. |