Densidade

A densidade (também massa volúmica ou massa volumétrica) de um corpo define-se como o quociente entre a massa e o volume desse corpo. Desta forma pode-se dizer que a densidade mede o grau de concentração de massa em determinado volume. O símbolo para a densidade é ρ (a letra grega ró) e a unidade SI para a densidade é quilogramas por metro cúbico(kg/m³).

Densidade relativa é a relação entre a densidade da substância em causa e a massa volúmica da substância de referência (a água é geralmente tomada como referência). É uma grandeza adimensional, devido ao quociente. Quando se diz que um corpo tem uma densidade de 5, quer dizer que tem uma massa volúmica 5 vezes superior à da água (no caso dos sólidos e líquidos).

Há uma pequena diferença entre densidade e massa específica. A massa específica, embora definida de forma análoga à densidade, contudo para um material e não um objeto, é propriedade de uma substância, e não de um objeto. Supõe-se pois que o material seja homogêneo e isotrópico ao longo de todo o volume considerado para o cálculo, e que este seja maciço. Um objeto oco pode ter densidade muito diferente da massa específica do material que os compõem, a exemplo os navios. Embora a massa específica do aço seja maior do que a massa específica da água, a densidade de um navio - assumido uma estrutura "fechada", é certamente menor do que a da água.

Para líquidos e gases as expressões densidade e massa específica - dadas as propriedades físicas destes estados - acabam sendo utilizadas como sinônimos.

A densidade ou mais especificamente a massa específica da água à pressão normal e à temperatura de 25 °C, é de 1,00 g/cm³, e a 4 °C, onde se atinge sua densidade máxima, é de 1,03 g/cm³ (a água apresenta dilatação anômala).

O gelo ou, água no estado sólido, possui uma massa específica inferior àquela apresentada pela água em seu estado líquido (0,97 g/cm³), propriedade rara nos líquidos, que se explica pela polaridade da molécula da água e pelo aumento da distância média entre partículas. O mesmo ocorre geralmente com as substâncias que estabelecem pontes de hidrogênio, como os álcoois.

Gases

Para definir a densidade nos gases utiliza-se como massa volúmica de referência o ar, que nas condições normais de temperatura e pressão (PTN) (temperatura de 0 °C e pressão atmosférica 101 325 Pa) corresponde a 1,2928 kg/m³.

No caso dos gases, sua massa volúmica difere dos líquidos, e, por conseqüência dos sólidos. Nos gases, suas moléculas estão separadas devido à temperatura que está acima da temperatura de ebulição do líquido correspondente. Microscopicamente, isto corresponde dizer que nos gases a atração entre as moléculas e/ou átomos que os compõem não são suficientemente intensas frente à energia cinética desses mesmos constituintes para mantê-los próximos. Nos líquidos e nos sólidos, contudo, as moléculas e átomos estão muitíssimo próximas.

Tomando-se como exemplo hidrogênio gasoso, comparado à água, nas condições normais de temperatura e pressão, tem-se uma massa volúmica de 9 × 10⁻⁵ g/cm³, e a água é 11000 vezes mais densa que o elemento.

Densidade e Temperatura

Quando se aumenta a temperatura de um determinado fragmento de matéria, tem-se um aumento do volume fixo desta, pois haverá a dilatação ocasionada pela separação dos átomos e moléculas. Ao contrário, ao se diminuir a temperatura, tem-se uma diminuição deste volume fixo. A quantidade de massa existente num dado volume é chamada de massa volúmica.

Quando a matéria se expande, sua massa volúmica diminui e quando a matéria se contrai, sua massa volúmica aumenta. Com este conceito tem-se uma unidade de medida, que pode ser dada em gramas (g) por centímetros cúbicos(cm³).

A massa volúmica depende da massa dos átomos ou moléculas individuais e do volume efetivo ocupado pelas mesmas, seja no sólido, no líquido ou no gás. Se uma dada substância, em qualquer estado físico, apresenta massa molecular cinco vezes maior que outra nas mesmas condições de temperatura, pressão e outras coordenadas, a massa volúmica da primeira será cinco vezes maior que a da segunda.

Determinando a Densidade

A densidade de um corpo poderá ser determinada pela quantidade de massa que o corpo possui dividido pelo volume que esta massa ocupa. A densidade pode ser determinada pela expressão matemática:

$Densidade = \frac{Massa}{Volume}$

Exemplo: Uma caixa com algodão cuja massa é de 200g, ocupa o volume de 2000 cm³....Sua densidade será:

$Densidade = \frac{200 g}{2000 cm^3}= 0,1 g/cm^3$

Note que se a unidade de massa é indicada em g (gramas) e o volume em cm³ (centímetros cúbicos), a densidade será indicada como g/cm³(gramas por centímetros cúbicos).

Densidade da água

Temperatura (°C)	Densidade (kg/m³)
100	958,4
80	971,8
60	983,2
40	992,2
30	995,6502
25	997,0479
22	997,7735
20	998,2071
15	999,1026
10	999,7026
4	999,9720
0	999,8395
A densidade da água em quilogramas pormetro cúbico (sistema SI) em várias temperaturas em graus Celsius. Os valores abaixo de 0 °C se referem a água em sobrefusão

Densidade do ar

T em °C	densidade em kg/m³ (a 1 atm)
–10	1,342
–5	1,316
0	1,293
5	1,269
10	1,247
15	1,225
20	1,204
25	1,184
30	1,165

Densidade de materiais diversos

Material	em kg/m³	Notas
Meio interestelar	10⁻²⁵ − 10⁻¹⁵	Considerando 90% H, 10% He; T variável
Atmosfera terrestre	1,2	No nível do mar
Aerogel	1 − 2
Cortiça	220 − 260
Água	1000	nas CPTP
Plástico	850 − 1400	para polipropileno e PET/PVC
A Terra	5515,3	Densidade média
Cobre	8920 − 8960	na temperatura ambiente
Chumbo	11340	na temperatura ambiente
Tungstênio	19250	na temperatura ambiente
Ouro	19300	na temperatura ambiente
O Núcleo interno da Terra	~13000
Urânio	19100	na temperatura ambiente
Irídio	22500	na temperatura ambiente
Ósmio	22610	na temperatura ambiente
O núcleo do Sol	~150000
Núcleo atômico	~3 × 10¹⁷
Estrela de nêutrons	8,4 × 10¹⁶ − 1 × 10¹⁸
Buraco Negro	4 × 10¹⁷

Densidade de misturas

A densidade de uma substância composta ou de uma mistura, é a média ponderada das densidades dos componentes desta mistura, calculada a partir das proporcões (das concentrações), como por exemplo das porcentagens em massa de cada um dos componentes. Os fenômenos de interações entre os átomos, as moléculas e íons nas misturas, podem afetar estes cálculos, como por exemplo, o que acontece com a mistura de etanol e água.

$\rho = \sum_i \rho_i \,$