Densité

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Densité - Définition

Densité des gaz

La densité des gaz est calculée à partir de la densité de l'air. La valeur de référence prise est la masse d'un litre d'air à °C sous une pression de 760 mmHg, soit 1,29349 g.

On a ainsi d_{gaz}=\frac {\rho_{gaz}} {\rho_{air}}

Il existe une façon commode de relier la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) molaire M d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) et sa densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...). En effet, en considérant un gaz parfait (Le gaz parfait est un modèle thermodynamique décrivant le comportement de tous les gaz...), PV = nRT d'où :

V=\frac{nRT}{P}=\frac {mRT}{MP} avec n=\frac {m}{M}


On a donc M=\frac{m}{V}.{\frac{RT}{P}} ou M=\rho.\frac{RT}{P}


et d_{gaz}=\frac{\rho_{gaz}}{\rho_{air}}=\frac{M_{gaz}}{M_{air}} avec \frac{RT}{P} pris identique pour l'air et le gaz considéré.

En tenant compte de la composition de l'air et des masses molaires respectives (78% de diazote (Le diazote, couramment nommé « azote » de manière incorrecte, est le...), 21% de dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...) et 1% d'argon (L’argon est un élément chimique, de symbole Ar et de numéro atomique 18.) environ), il est facile de montrer que : Mair = 29g.mol − 1, soit Mgaz = 29.d

Par exemple, la densité du dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...) est d_{H_{2}}=\frac {M_{H_{2}}}{29} = \frac {2}{29}

Soit d_{H_{2}}=0,069 environ.

Il découle de cette relation que plus un gaz a une masse molaire élevée, plus il est dense. Il est ainsi facile de prévoir que le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un...) (CO2) sera plus dense que l'air et que les gaz les moins denses sont le dihydrogène et l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...).

Le composé gazeux le plus dense à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ambiante est l'hexafluorure de soufre (L’hexafluorure de soufre est un composé chimique de soufre et de fluor, de formule...),SF6.

Expression de la densité

La densité, notée d, s'exprime de la sorte :

d= \frac{\rho_{\rm corps}}{\rho_{\rm ref}}

ρcorps est la masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) du corps considéré, et ρref est la masse volumique du corps de référence.

Densité et flottabilité

Comparaison de deux corps avec densités supérieure et inférieure à un.

La densité peut indiquer la flottabilité d'un corps par rapport à l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) douce. En effet, si la densité d'un corps est supérieure à 1 comme pour une vis métallique (voir illustration) le corps en question coule dans l'eau. À l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...), si la densité d'un corps est inférieure à 1 comme pour un bouchon de liège (voir illustration) le corps en question flotte sur l'eau. Dans l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) ou une solution saline à gradient de salinité, ces chiffres sont à ajuster.

Cas particulier de l'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...)

D'une manière générale quand un corps liquide refroidit sa densité augmente et devient maximale à la température de solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état...). De plus le corps solide est généralement plus dense que le corps liquide. L'eau fait exception : sa densité maximale est atteinte non pas à °C mais à 3,98 °C et la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) est moins dense que l'eau liquide. Cette particularité permet à l'eau tiède, à l'eau très froide et à la glace de flotter sur 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, 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.

Densité pour les solides et les liquides

Le plus souvent, l'eau est utilisée comme corps de référence pour la densité des liquides et des solides. Dans ce cas, la masse volumique de l'eau est prise égale à 1 000 kg.m-3 (ou à 1 kg.dm-3, ou à 1 kg/L, ou encore 1 g/cm3). Il s'agit de la masse volumique de l'eau à 3,98 °C et à pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression qu'exerce le mélange gazeux constituant...). En effet, l'eau possède une particularité parmi les liquides : sa densité et sa masse volumique sont maximales, non pas à sa température de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) (°C) comme la plupart des liquides, mais à 3,98 °C. Or en métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.), 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 cet extremum la propriété physique varie très peu. Ainsi au voisinage de 3,98 °C, une imprécision sur la détermination de la température exacte affecte très peu la masse volumique de l'eau et donc le résultat d'une mesure de densité.

La densité devient :

d= \frac{\rho_{\rm corps}}{\rho_{\rm eau}}

ρcorps est la masse volumique du corps considéré et ρeau est la masse volumique de l'eau (1000 kg/m3).

Pour corriger les valeurs mesurées à d'autres températures que la température de référence, il faut exploiter la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) de variation de la masse volumique de l'eau en fonction de la température pour en déduire la masse volumique des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) à la température des mesures.

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