Densité - Définition

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 pure : si cette valeur est inférieure à 1 (celle de l'eau), un bloc de matériau flottera (puisqu'à volume 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 de la substance par 1000 kg/m³, masse 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, conformément à la relativité générale, n'a pas de volume et sa densité peut ainsi être vue comme infinie ou inexistante.

Les substances les plus denses sur Terre 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

• Prendre une balance électronique à plateau et mettre un récipient contenant de l'eau ;
• Appuyer sur le bouton tare et la balance affiche zéro (cliché de gauche) ;
• Attacher l'objet 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 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 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 de comparer, à la température ambiante, une pièce réalisée en bronze (densité 8,1) à la même pièce réalisée dans un alliage d'aluminium (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 qui passe par un extremum est très intéressant : au voisinage 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 atmosphérique normale.

Cette particularité permet à l'eau tiède, à l'eau très froide et à la glace 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 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, il existe l'argent et le bismuth. Cela pose des problèmes importants lors du moulage, à cause du gonflement qui accompagne la solidification.