Densité - Définition et Explications

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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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) permet de déterminer la flottabilité (Dans un liquide, les corps sont soumis à la poussée d'Archimède. Les corps ont une flottabilité...) d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) dans de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) 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...) égal, il subira immergé dans l'eau une poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) supérieure à son propre poids).

La définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) de la densité permet sa mesure en laboratoire. Elle peut aussi se calculer en divisant la masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) de la substance par 1000 kg/m3, masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) 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 (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou...) gravitationnelle au centre d'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...), conformément à la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance 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...) comme infinie ou inexistante.

Les substances les plus denses sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) sont l'osmium (L’osmium est l'élément chimique du tableau périodique dont le symbole est Os...) et l'iridium (L'iridium est un élément chimique de symbole Ir et de numéro atomique 77.), 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...)

  • 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 (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr,...) (cliché de gauche) ;
  • Attacher l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) 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,...) les parois du récipient : la balance indique 8 grammes dus à la célèbre poussée d'Archimède (Archimède de Syracuse (en grec ancien :...) (cliché de droite).

On en déduit que le plomb a une densité de 90/8 = 11,25 ; la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) 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 (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) 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...) 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...) 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...) (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...) d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) (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 (On appelle congélation toutes technique visant à faire passer un produit à...). Dans le domaine des mesures, le fait de prendre comme référence une propriété physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) qui passe par un extremum (L'expression « élément extremum » signifie...) est très intéressant : au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) 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 (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) 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 (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...), 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...), il existe l'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du...) et le bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et...). 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...).

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