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Densité

La densité est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume d'eau pure à la température de 3,98 °C.

Par définition, la densité de l'eau pure à 3,98 °C est égale à 1 ; la valeur de la densité permet de déterminer la flottabilité d'un matériau dans de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) pure : si cette valeur est inférieure à 1 (celle de l'eau), un bloc de matériau flottera (puisqu'à volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) égal, il subira immergé dans l'eau une poussée supérieure à son propre poids).

La définition de la densité permet sa mesure en laboratoire. Elle peut aussi se calculer en divisant la masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la...) de la substance par 1000 kg/m3, masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...) volumique de l'eau pure à 3,98 °C.

  • Attention : en anglais le mot mass-density est souvent réduit à density pour signifier masse volumique. La densité comme définie dans le système métrique se traduit, en anglais, dans le système de mesures anglo-saxon, en « Specific Gravity » (trad. : masse spécifique).

Les densités les plus importantes connues sont peut-être atteintes dans les étoiles à neutrons. La singularité gravitationnelle au centre d'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception...), conformément à la relativité générale, n'a pas de volume et sa densité peut ainsi être vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) comme infinie ou inexistante.

Les substances les plus denses sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) sont l'osmium et l'iridium, dont la densité dépasse 22,6.

Mesure de densité

Il est assez facile de mesurer la densité d'un corps solide insoluble et imperméable.

Densité supérieure à celle de l'eau : le plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.)

  • Prendre une balance électronique à plateau et mettre un récipient contenant de l'eau ;
  • Appuyer sur le bouton tare (Le mot tare est employé dans deux matières :) et la balance affiche zéro (cliché de gauche) ;
  • Attacher l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) à un fil fin (dans l'expérience photographiée : 6 plomb de pêche de 15 g) ;
  • Mettre l'objet sur la balance qui affiche 90 grammes que l'objet soit sur le plateau ou qu'il soit au fond du récipient contenant de l'eau (cliché du milieu) ;
  • Tenir l'objet par le fil de façon qu'il soit immergé sans toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal, essentiel pour la survie et le développement...) les parois du récipient : la balance indique 8 grammes dus à la célèbre poussée d'Archimède (cliché de droite).

On en déduit que le plomb a une densité de 90/8 = 11,25 ; la température de l'eau étant de 18 °C. ( une expérience parfaite aurait été réalisée à 3,98°. Ici, on peut considérer que l'on mesure la "densité du plomb relative à de l'eau à 18°C" et non la "densité du plomb" définie par la norme)

Attention : le plomb est toxique ; ne pas utiliser l'eau ou le récipient pour boire. Se rincer les mains après manipulation.

Densité inférieure à celle de l'eau : le liège

  • Prendre un bouchon de grand volume, genre bouchon de pot de moutarde et donc une coupelle contenant de l'eau de diamètre plus grand que le diamètre du bouchon ;
  • Prendre une balance électronique à plateau et mettre la coupelle contenant de l'eau ;
  • Appuyer sur le bouton tare et la balance affiche zéro (cliché de gauche) ;
  • Mettre une épingle sur l'axe du bouchon ;
  • Mettre le bouchon sur la balance qui affiche 12 grammes qu'il soit sur le plateau ou qu'il soit flottant sur l'eau du récipient : l'eau transmet le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de la résultante des...) du bouchon à la balance, via la célèbre poussée d'archimède (cliché du milieu) ;
  • Tenir par l'intermédiaire de l'aiguille le bouchon de façon qu'il soit entièrement immergé sans toucher les parois du récipient : la balance indique 52 grammes dus à la célèbre poussée d'Archimède (cliché de droite).

On en déduit que le liège a une densité de 12/52 = 0,23 ; la température de l'eau étant de 18 °C. (même remarque que pour l'exemple du plomb. Cette mesure est celle de la "densité du liège relative à l'eau à 18°C".)

La référence de l'eau à 3,98 °C

Parler de « densité relative » constitue a priori un pléonasme. Cependant, il peut être utile de faire des comparaisons dans des conditions hors normes. On peut par exemple avoir besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois...) de comparer, à la température ambiante, une pièce réalisée en bronze (Le bronze est le nom générique des alliages de cuivre et d'étain. Le terme airain désigne aussi le bronze, mais est plutôt employé en poésie et dans les textes littéraires, ainsi qu'en...) (densité 8,1) à la même pièce réalisée dans un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) (densité 2,7). On pourra dire alors que le bronze est (relativement) trois fois plus dense que l'aluminium, ou que la densité (relative) du bronze par rapport à l'aluminium est de 3. Ce n'est pas le caractère relatif qui change, mais la référence.

La référence de l'eau est à 3,98°C car lors de la diminution de température de l'eau son volume baisse, jusqu'à 3,98 °C, et augmente si l'on continue de refroidir jusqu'à la congélation. Dans le domaine des mesures, le fait de prendre comme référence une propriété physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...) qui passe par un extremum (L'expression « élément extremum » signifie « élément maximum » ou « élément minimum ».) est très intéressant : au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions...) de 3,98 °C, la masse volumique de l'eau reste sensiblement constante, on n'a donc pas besoin de déterminer la température avec une grande précision, ce qui ne serait pas le cas aux autres températures. La masse volumique et la densité de l'eau sont maximales à 3,98 °C à la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) atmosphérique normale.

Cette particularité permet à l'eau tiède, à l'eau très froide et à la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) de flotter au-dessus de l'eau à 3,98 °C. Si l'eau se comportait comme la plupart des autres corps, la glace tomberait au fond des lacs, des rivières et des océans, où la vie (La vie est le nom donné :) serait alors pratiquement impossible, du moins sous la forme que nous connaissons.

Parmi les métaux moins denses à l'état solide qu'à l'état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), il existe l'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) et le bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.). Cela pose des problèmes importants lors du moulage, à cause du gonflement qui accompagne la solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela peut se faire par refroidissement (cas le plus courant), par augmentation de la pression, ou bien par une combinaison des deux.).

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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