Densité - Définition et Explications

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 masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) permet de déterminer la flottabilité (Dans un liquide, les corps sont soumis à la poussée d'Archimède. Les corps ont une flottabilité différente selon leur masse volumique.) d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) 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 (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) 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 division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) 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 unité de volume.) 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...) 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 de quelqu'un. En particulier, le terme est employé dans les domaines suivants :) 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...), conformément à la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels...), 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 croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...) sont l'osmium (L’osmium est l'élément chimique du tableau périodique dont le symbole est Os et le numéro atomique 76. Il se présente...) 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 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 (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans...) (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 des êtres vivants, l'exploration, la reconnaissance, la découverte de l'environnement, la...) les parois du récipient : la balance indique 8 grammes dus à la célèbre poussée d'Archimède (Archimède de Syracuse (en grec ancien : Ἀρχιμήδης/Arkhimếdês), né à Syracuse vers...) (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 étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) 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 et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le...) 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...) 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 grandes catégories :...) 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...) (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...) (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 l'état solide par des techniques de refroidissement forcé. On parle de congélation principalement pour l'eau et les...). 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 et ancien, la...) 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 globales comme 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 Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.), 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...).