Densidade
Densidade | |
---|---|
Um tubo de ensaio contendo quatro líquidos coloridos não miscíveis com densidades diferentes | |
Símbolos comuns | ρ , D |
Unidade SI | kg/ m3 |
Extenso ? | Não |
Intensivo ? | Sim |
Conservado ? | Não |
Derivações de outras quantidades | |
Dimensão |
Densidade ( densidade de massa volumétrica ou massa específica ) é a massa de uma substância por unidade de volume . O símbolo mais frequentemente 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 massa dividida pelo volume: [1] 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 , [2] embora isso 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 . Diferentes materiais geralmente têm densidades diferentes, e a densidade pode ser relevante para flutuabilidade , pureza e embalagem . O ósmio é o elemento mais denso conhecido em condições padrão de temperatura e pressão .
Para simplificar comparações de densidade entre diferentes sistemas de unidades, às vezes ela 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 tipicamente pequena para sólidos e líquidos, mas muito maior para gases. Aumentar a pressão sobre um objeto diminui o volume do objeto e, portanto, aumenta sua densidade. Aumentar a temperatura de uma substância (com algumas exceções) diminui sua densidade aumentando seu volume. Na maioria dos materiais, aquecer o fundo de um fluido resulta na convecção do calor do fundo para o topo, devido à diminuição da densidade do fluido aquecido, o que faz com que ele aumente em relação ao material mais denso não aquecido.
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.
Outras quantidades ou proporções conceitualmente comparáveis incluem densidade específica , densidade relativa (gravidade específica) e peso específico .
História
Densidade, flutuação e afundamento
A compreensão de que diferentes materiais têm diferentes densidades, e de uma relação entre densidade, flutuação e afundamento deve datar de tempos pré-históricos. Muito mais tarde foi colocada por escrito. Aristóteles , por exemplo, escreveu: [3]
Há uma diferença tão grande na densidade entre água salgada e água doce que embarcações carregadas com cargas do mesmo peso quase afundam em rios, mas navegam facilmente no mar e são bastante navegáveis. E a ignorância disso às vezes custa caro às pessoas que carregam seus navios em rios. A seguir está uma prova de que a densidade de um fluido é maior quando uma substância é misturada a ele. Se você tornar a água muito salgada misturando sal a ela, os ovos flutuarão nela. ... Se houvesse alguma verdade nas histórias que eles contam sobre o lago na Palestina, isso confirmaria ainda mais o que eu digo. Pois eles dizem que se você amarrar um homem ou animal e jogá-lo nele, ele flutua e não afunda abaixo da superfície.
— Aristóteles, Meteorologica , Livro II, Capítulo III
Volume vs. densidade; volume de uma forma irregular
Em um conto bem conhecido, mas provavelmente apócrifo , Arquimedes recebeu a tarefa de determinar se o ourives do rei Hierão estava desviando ouro durante a fabricação de uma coroa de ouro dedicada aos deuses e substituindo-a por outra liga mais barata . [4] Arquimedes sabia que a coroa de formato 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 teria tomado um banho de imersão e observado pela elevação da água ao entrar que ele poderia calcular o volume da coroa de ouro através do deslocamento da água. Após esta descoberta, ele saltou de seu banho e correu nu pelas ruas gritando: "Eureka! Eureka!" ( grego antigo : Εύρηκα!, lit. ' 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 em forma escrita nos livros de arquitetura de Vitrúvio , dois séculos depois de supostamente ter ocorrido. [5] Alguns estudiosos duvidaram da precisão deste conto, dizendo, entre outras coisas, que o método exigiria medições precisas que seriam difíceis de fazer na época. [6] [7]
No entanto, em 1586, Galileu Galilei , em um de seus primeiros experimentos, fez uma possível reconstrução de como o experimento poderia ter sido realizado com recursos gregos antigos [8]
Unidades
Da equação para densidade ( ρ = m / V ), a densidade de massa tem qualquer unidade que seja massa dividida por volume . Como há muitas unidades de massa e volume cobrindo muitas magnitudes diferentes, há um grande número de unidades para 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 (abreviação cc) é igual a um mililitro. Na indústria, outras unidades maiores ou menores de massa e/ou volume são frequentemente mais práticas e unidades usuais dos EUA podem ser usadas. Veja abaixo uma lista de algumas das unidades mais comuns de densidade.
O litro e a tonelada não fazem parte do SI, mas são aceitáveis para uso com ele, resultando nas seguintes unidades:
- quilograma por litro (kg/L)
- grama por mililitro (g/mL)
- tonelada por metro cúbico (t/m 3 )
Densidades usando as seguintes unidades métricas têm exatamente o mesmo valor numérico, um milésimo do valor em (kg/m 3 ). Água líquida tem uma densidade de cerca de 1 kg/dm 3 , tornando qualquer uma dessas unidades SI numericamente conveniente de usar, 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/cm3 = 1000 kg/ m3
- megagrama (tonelada métrica) por metro cúbico (Mg/m 3 )
Nas unidades usuais dos EUA, a densidade pode ser expressa em:
- Onça Avoirdupois por polegada cúbica (1 g/cm 3 ≈ 0,578036672 oz/cu in)
- Onça Avoirdupois por onça fluida (1 g/cm 3 ≈ 1,04317556 oz/US fl oz = 1,04317556 lb/US fl pint)
- Avoirdupois libra por polegada cúbica (1 g/cm 3 ≈ 0,036127292 lb/cu in)
- libra por pé cúbico (1 g/cm 3 ≈ 62,427961 lb/pé cúbico)
- libra por jarda cúbica (1 g/cm 3 ≈ 1685,5549 lb/cu yd)
- libra por galão líquido dos EUA (1 g/cm 3 ≈ 8,34540445 lb/galão dos EUA)
- libra por bushel dos EUA (1 g/cm 3 ≈ 77,6888513 lb/bu)
- slug por pé cúbico
Unidades imperiais diferentes das acima (como o galão imperial e o bushel diferem das unidades dos EUA) na prática raramente são usadas, embora 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 de metais preciosos poderia ser baseada em onças Troy e libras, 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 .
Medição
Existem várias técnicas, bem como padrões, para a medição da densidade de materiais. Tais técnicas incluem o uso de um hidrômetro (um método de flutuação para líquidos), balança hidrostática (um método de flutuação para líquidos e sólidos), método do corpo imerso (um método de flutuação para líquidos), picnômetro (líquidos e sólidos), picnômetro de comparação de ar (sólidos), densitômetro oscilante (líquidos), bem como vazamento e toque (sólidos). [9] 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 que está sendo medida, bem como do tipo de material em questão.
Materiais homogêneos
A densidade em todos os pontos de um objeto homogêneo é igual à sua massa total dividida pelo seu volume total. A massa é normalmente medida com uma balança ou escala ; 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 dasímetro ou um medidor de vazão Coriolis podem ser usados, respectivamente. Similarmente, a pesagem hidrostática usa o deslocamento de água devido a um objeto submerso para determinar a densidade do objeto.
Materiais heterogêneos
Se o corpo não for homogêneo, então sua densidade varia entre diferentes regiões do objeto. Nesse caso, a densidade ao redor de qualquer local dado é determinada pelo cálculo da densidade de um pequeno volume ao redor desse local. No limite de um volume infinitesimal, a densidade de um objeto não homogêneo em um ponto se torna: , 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.
Vazios são regiões que contêm algo diferente do material considerado. Normalmente o vazio é ar, mas também pode ser vácuo, líquido, sólido ou um gás diferente ou mistura gasosa.
O volume total de um material — incluindo a fração de espaço vazio — é frequentemente obtido por uma medição simples (por exemplo, com um copo medidor calibrado) ou geometricamente a partir de dimensões conhecidas.
A massa dividida pelo volume a granel determina a densidade a granel . Isso não é a mesma coisa que a densidade de massa volumétrica do material. Para determinar a densidade de massa volumétrica do material, deve-se primeiro descontar o volume da fração de vazios. Às vezes, isso pode ser determinado por raciocínio geométrico. Para o empacotamento fechado de esferas iguais , a fração não vazia pode ser no máximo cerca de 74%. Também pode ser determinada empiricamente. Alguns materiais a granel, no entanto, como areia, têm uma fração de vazios variável que depende de como o material é agitado ou despejado. Pode ser solto ou compacto, com mais ou menos espaço de ar, dependendo do manuseio.
Na prática, a fração de vazios 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 vazios para areia saturada em água — uma vez que quaisquer bolhas de ar são completamente expulsas — é potencialmente mais consistente do que areia seca medida com um vazio de ar.
No caso de materiais não compactos, também é preciso ter cuidado ao determinar a massa da amostra do material. Se o material estiver sob pressão (comumente pressão do ar ambiente na superfície da Terra), a determinação da massa a partir 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 de areia seca, a areia é muito mais densa que o ar, de modo 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-se a pressão ou a temperatura . Aumentar a pressão sempre aumenta a densidade de um material. Aumentar a temperatura geralmente diminui a densidade, mas há exceções notáveis a essa generalização. Por exemplo, a densidade da água aumenta entre seu ponto de fusão a 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 na 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 dos gases e T é a temperatura absoluta . Isso significa que a densidade de um gás ideal pode ser dobrada 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 com a temperatura é
onde é a densidade a uma temperatura de referência, é o coeficiente de expansão térmica do material a temperaturas próximas de .
Densidade das soluções
A densidade de uma solução é a soma das concentrações de massa (mássicas) dos componentes dessa solução.
A concentração de massa (mássica) de cada componente dado em uma solução soma-se à densidade da solução,
Expressa em função das densidades dos componentes puros da mistura e da sua participação volumétrica , permite determinar volumes molares em excesso : desde que não haja interação entre os componentes.
Conhecendo a relação entre os volumes excedentes e os coeficientes de atividade dos componentes, pode-se determinar os coeficientes de atividade:
Lista de densidades
Vários materiais
Material | ρ (kg/m 3 ) [nota 1] | Notas |
---|---|---|
Hidrogênio | 0,0898 | |
Hélio | 0,179 | |
Aerografite | 0,2 | [nota 2] [10] [11] |
Microrede metálica | 0,9 | [nota 2] |
Aerogel | 1.0 | [nota 2] |
Ar | 1.2 | Ao nível do mar |
Hexafluoreto de tungstênio | 12.4 | Um dos gases mais pesados conhecidos em condições normais |
Hidrogênio líquido | 70 | A aproximadamente -255 °C |
isopor | 75 | Aproximado [12] |
Cortiça | 240 | Aproximado [12] |
Pinho | 373 | [13] |
Lítio | 535 | Metal menos denso |
Madeira | 700 | Temperado, típico [14] [15] |
Carvalho | 710 | [13] |
Potássio | 860 | [16] |
Gelo | 916,7 | Em temperatura < 0 °C |
Óleo de cozinha | 910–930 | |
Sódio | 970 | |
Água (doce) | 1.000 | A 4 °C, a temperatura de sua densidade máxima |
Água (sal) | 1.030 | 3% |
Oxigênio líquido | 1.141 | A aproximadamente -219 °C |
Nylon | 1.150 | |
Plásticos | 1.175 | Aproximado; para polipropileno e PETE / PVC |
Glicerol | 1.261 | [17] |
Tetracloroeteno | 1.622 | |
Areia | 1.600 | Entre 1.600 e 2.000 [18] |
Magnésio | 1.740 | |
Berílio | 1.850 | |
Silício | 2.330 | |
Concreto | 2.400 | [19] [20] |
Vidro | 2.500 | [21] |
Quartzito | 2.600 | [18] |
Granito | 2.700 | [18] |
Gneisse | 2.700 | [18] |
Alumínio | 2.700 | |
Calcário | 2.750 | Compacto [18] |
Basalto | 3.000 | [18] |
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 | |
Estanho | 7.310 | |
Manganês | 7.325 | Aproximado |
Aço macio | 7.850 | |
Ferro | 7.870 | |
Nióbio | 8.570 | |
Latão | 8.600 | [20] |
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 | 19.100 | |
Tungstênio | 19.300 | |
Ouro | 19.320 | |
Plutônio | 19.840 | |
Rênio | 21.020 | |
Platina | 21.450 | |
Irídio | 22.420 | |
Ósmio | 22.570 | O elemento natural mais denso da Terra |
- ^ A menos que indicado de outra forma, todas as densidades fornecidas são em condições padrão de temperatura e pressão ,
ou seja, 273,15 K (0,00 °C) e 100 kPa (0,987 atm). - ^ abc Ar contido no material excluído no cálculo da densidade
Outros
Entidade | ρ (kg/m 3 ) | Notas |
---|---|---|
Meio interestelar | 1,7 × 10 −26 | Com base em 10 −5 átomos de hidrogênio por centímetro cúbico [22] |
Nuvem interestelar local | 5 × 10 −22 | Com base em 0,3 átomos de hidrogênio por centímetro cúbico [22] |
Meio interestelar | 1,7 × 10 −16 | Com base em 10 5 átomos de hidrogênio por centímetro cúbico [22] |
A Terra | 5.515 | Densidade média. [23] |
núcleo interno da Terra | 13.000 | Aprox., conforme listado na Terra . [24] |
O núcleo do Sol | 33.000–160.000 | Aprox. [25] |
Estrela anã branca | 2,1 × 10 9 | Aprox. [26] |
Núcleos atômicos | 2,3 × 10 17 | Não depende fortemente do tamanho do núcleo [27] |
Estrela de nêutrons | 1 × 10 18 |
Água
Temperatura (°C) [nota 1] | 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

Temperatura (°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 da fase líquida e sólida dos elementos

Veja também
- Densidades dos elementos (página de dados)
- Lista de elementos por densidade
- Densidade do ar
- Densidade de área
- Densidade aparente
- Flutuabilidade
- Densidade de carga
- Densidade de corrente
- Previsão de densidade pelo método Girolami
- Dordo
- Densidade de energia
- Mais leve que o ar
- Densidade linear
- Densidade numérica
- Densidade ortobárica
- Densidade do papel
- Peso específico
- Especiarias (oceanografia)
- Temperatura e pressão padrão
- Quantidade volumétrica
Referências
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Links externos
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- Vídeo: Experimento de densidade com óleo e álcool
- Vídeo: Experimento de densidade com uísque e água
- Cálculo da densidade do vidro – Cálculo da densidade do vidro à temperatura ambiente e do vidro fundido a 1000 – 1400°C
- Lista de Elementos da Tabela Periódica – Ordenados por Densidade
- Cálculo de densidades de líquidos saturados para alguns componentes
- Teste de densidade de campo Arquivado em 15 de dezembro de 2010, no Wayback Machine
- Água – Densidade e peso específico
- Dependência da temperatura da densidade da água – Conversões de unidades de densidade
- Um delicioso experimento de densidade Arquivado em 18 de julho de 2015, no Wayback Machine
- Calculadora de densidade da água Arquivado em 13 de julho de 2011, no Wayback Machine Densidade da água para uma dada salinidade e temperatura.
- Calculadora de densidade de líquidos [ link morto permanente ] Selecione um líquido da lista e calcule a densidade como uma função da temperatura.
- Calculadora de densidade de gás [ link morto permanente ] Calcula a densidade de um gás em função da temperatura e da pressão.
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