Masse volumique - Définition et Explications

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Introduction

Le thermomètre de Galilée utilise la variation de la masse volumique
du liquide incolore en fonction de la température

La masse volumique est une grandeur physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) qui caractérise la 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 contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....) 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 propriétés...) par unité de 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.).

Elle est généralement notée par les lettres grecques ρ rho ou µ mu. On utilise ces deux notations en fonction des habitudes du domaine de travail. Toutefois le BIPM (Bureau international des 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...) et Mesures) recommande d'utiliser la notation ρ.

Elle est déterminée par le rapport ρ = m / V, où m est la masse de la substance homogène occupant un volume V.

La masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par unité de volume.) est le synonyme moderne des expressions désuètes « densité absolue » et « densité propre », ou encore « masse spécifique ».

Unités de mesure

L'unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de grandeurs physiques qui ont besoin de définitions précises pour être...) de la masse volumique dans le système international est le kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international d’unités (SI).) par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière...) cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le seul ayant...) (kg·m-3 ou kg/m3), mais on utilise couramment le g/cm3, le kg/ℓ ou la t/m3 (ces trois dernières unités donnant exactement le même nombre : proche de 1 dans le cas de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) par exemple)... ou toute autre unité exprimée par le rapport d'une unité de masse et d'une unité de volume.

Dans le système CGS (Le système CGS est un système d'unités de mesures physiques où les unités de base sont), elle s'exprime en g/cm3. Cette unité a l'avantage de donner des valeurs numériques de l'ordre de l'unité pour les solides dans des conditions raisonnables de 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 chaud, provenant du...) et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.).

Remarques

  1. La valeur numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) est la même dans plusieurs unités car 1 g/cm3 = 1 kg/dm3 = 1 kg/ℓ = 1 t/m3.
  2. La masse volumique de l'eau est très proche de 1 kg/ℓ. Ce n'est pas un hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.), car cela résulte des premières tentatives de 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.) du kilogramme comme la masse d'un litre (Le litre (du grec λίτρα lítra, ancienne mesure de capacité – une livre de douze onces –...) d'eau à 4 °C (température pour laquelle la masse volumique de l'eau est maximale) ; la valeur exacte de la masse volumique de l'eau à 4°C est de 0,99995 kg/L.

Les différentes masses volumiques en milieux granulaires

Définition des volumes

La masse volumique en vrac (Le vrac (du néerlandais wrac : mal salé, mauvais) désigne des marchandises qui ne sont pas emballées ou arrimées.) ou apparente

Les valeurs données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) dans les tableaux de cet article sont définies par cette masse volumique qui est la plus couramment utilisée pour les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de manière générale. C'est le rapport entre la masse de matériau et le volume apparent de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des grains.

\rho_{\text{app}}=\frac{m_{\text{mat}}}{V_{\text{app}}}

Pour les matériaux usuels de construction (sable, graviers, etc.) cette masse volumique varie entre 1400 et 1600 kg/m3.

La masse volumique réelle

C'est le rapport entre la masse de matériau et le volume réel des grains (somme des volumes élémentaires des grains y compris le volume des pores fermés).

\rho_{\mathrm{r\acute{e}el}}=\frac{m_{\mathrm{mat}}}{V_{\mathrm{r\acute{e}el}}}

Pour les granulats courants, cette masse volumique varie entre 2500 et 2650 kg.m-3 et pour le ciment (Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière pulvérulente, formant avec l’eau ou avec une solution saline une...), elle varie entre 2850 et 3100 kg.m-3 selon la catégorie.

La masse volumique absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température ambiante ou...) ou de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...)

Cette grandeur est intéressante pour les matériaux poreux. Pour y accéder, il faut broyer très finement le matériau et mesurer la masse volumique réelle de la poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de millimètre...) obtenue. C'est le rapport de la masse du matériau sur le volume réel auquel on a soustrait le volume des pores (ouverts et fermés). La masse volumique absolue est égale à la masse volumique réelle dans le cas des matériaux non poreux.

\rho_{\text{absolu}}=\frac{m_{\text{mat}}}{V_{\text{absolu}}}=\frac{m_{\text{mat}}}{V_{\mathrm{r\acute{e}el}}-V_{\text{pores}}}

Masse volumique et densité

La densité d'un matériau est, pour les solides et les liquides, le rapport de la masse volumique de ce matériau à celle de l'eau.

Pour les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz...), la densité est calculée en rapport avec la masse volumique de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...).

Dans les deux cas, la densité est forcément un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) sans dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa...).

La masse volumique de l'eau valant, à 3,98 °C, 1 g/cm³, la densité d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ou d'un solide s'exprime par la même valeur numérique que sa masse volumique en g/cm³ ou en kg/ℓ : par exemple, il est équivalent de dire que la densité de l'éthanol est de 0,79 ou que sa masse volumique est de 0,79 g/cm³. Ceci donne lieu à des confusions fréquentes entre les concepts de masse volumique et de densité. À noter également comme source d'erreur supplémentaire, la traduction anglo-saxonne de masse volumique qui est density.

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