A densidade é uma quantidade intensiva de matéria em física e química que expressa quanta massa desse material está presente em um determinado volume. Esta propriedade física da matéria é indicada pela letra grega ρ.
Para calcular a densidade, esta fórmula é usada:
Onde,
-
m é a massa
-
V é o volume
No sistema SI, a densidade é expressa em quilogramas por metro cúbico (kg/m3), mas a unidade mais antiga (do sistema cgs) gramas por centímetro cúbico (g/cm3) ou quilogramas por decímetro cúbico também é usada.
Para calcular o volume de um objeto, pode-se utilizar o banho de imersão feito por Arquimedes . Trata-se de submergir o objeto em um recipiente com seção de área fácil de calcular e multiplicar a área pela diferença de altura da superfície da água.
A densidade da água destilada à pressão de 1 atm e temperatura de 4 °C é de 1000 quilogramas por metro cúbico (kg/m³), ou seja, 1 kg por litro.
Como a pressão e a temperatura afetam a densidade?
A densidade de uma substância é geralmente tabulada a uma determinada temperatura e pressão porque depende do tamanho dessas quantidades intensivas.
Para a maioria das substâncias, o volume aumenta linearmente com o aumento da temperatura. Esta dependência da densidade com a temperatura é expressa no coeficiente de expansão de uma substância.
A água, entre outros, é uma exceção a esta regra. Especialmente em temperaturas mais baixas, o coeficiente de expansão da água apresenta um comportamento desviado: em torno de 4 °C o coeficiente de expansão da água tem um mínimo.
A relação massa/volume de uma substância geralmente aumenta linearmente em pressões hidrostáticas mais altas. Esta compressibilidade é expressa no módulo de compressão. O módulo de compressão está intimamente relacionado com a elasticidade de um material, que é expressa no módulo de elasticidade.
Como a densidade varia entre gases, líquidos e sólidos?
A densidade de uma substância difere dependendo do estado de agregação sob condições padrão. Em geral, a densidade de uma substância na fase sólida é maior do que na fase líquida.
Por outro lado, o dos gases é muito inferior ao dos líquidos e sólidos em condições normais.
Gases
Um gás geralmente se comporta como um gás ideal, a menos que a pressão seja muito alta ou a temperatura esteja muito abaixo da temperatura crítica do gás. Para um gás ideal, a densidade pode ser calculada usando a seguinte fórmula:
onde:
-
M é a massa molar.
-
P é a pressão.
-
R é a constante do gás.
-
T é a temperatura absoluta.
Líquidos e sólidos
Sólidos com estrutura cristalina aberta têm densidade relativamente baixa do que sólidos com estrutura cristalina densa, como metais e ligas.
Ao derreter, a ordem da estrutura cristalina do sólido é perdida e as ligações cristalinas são quebradas. Como resultado, a distância média entre átomos ou moléculas aumenta de modo que a maioria das substâncias se expande durante a fusão. Portanto, a densidade de uma substância geralmente diminui durante a fusão.
Tipos de densidades
Existem três formas diferentes de densidade: absoluta, relativa e aparente. Cada uma dessas densidades tem sua finalidade e aplicação específicas e, juntas, oferecem uma visão mais completa de como os materiais e substâncias se relacionam com sua massa e volume.
Densidade absoluta
A densidade absoluta é o mesmo conceito que a densidade de massa (ρ). Representa a quantidade de massa (m) contida em um determinado volume (V) e é medida em unidades de massa por unidade de volume, como quilogramas por metro cúbico (kg/m³).
É a densidade padrão usada na maioria das aplicações físicas e científicas.
Densidade relativa
A densidade relativa, também conhecida como gravidade específica, refere-se à razão entre a densidade de uma substância e a da água (a uma temperatura e pressão específicas).
Como a água é tomada como referência, a densidade relativa não tem unidades e é expressa como um número adimensional. Se a densidade relativa for menor que 1, significa que a substância é menos densa que a água, e se for maior que 1, é mais densa.
Densidade aparente
A densidade aparente é usada no contexto de materiais granulares, como sólidos particulados ou misturas. Refere-se à massa total de um sistema dividida pelo seu volume total, incluindo tanto as partículas sólidas quanto os espaços vazios entre elas.
A densidade aparente é geralmente inferior à densidade real dos sólidos individuais devido à presença de porosidade e espaços vazios.
Exemplos de densidades
Abaixo anexo uma tabela com exemplos de diferentes substâncias e suas densidades:
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Substância |
Densidade (g/cm³) |
Descrição |
|
Água (a 25°C) |
1,00 |
A água é uma substância comum, essencial à vida. |
|
Ferro |
7,87 |
O ferro é um metal denso utilizado na indústria e na construção. |
|
Ouro |
19h32 |
O ouro é um metal precioso conhecido pelo seu alto valor e brilho. |
|
Liderar |
11h34 |
O chumbo é um metal pesado usado em diversas aplicações, como baterias. |
|
Ar (a 0°C e 1 atm) |
0,001225 |
O ar é uma mistura de gases que envolve a Terra. |
|
Alumínio |
2,70 |
O alumínio é um metal leve e amplamente utilizado na indústria e na construção. |
|
Madeira de carvalho) |
0,75 - 0,95 |
A madeira é um material orgânico utilizado na construção e fabricação de móveis. |
|
Hélio (a 0°C e 1 atm) |
0,0001785 |
O hélio é um gás leve usado em balões e aplicações criogênicas. |
|
Diamante |
3.51 |
O diamante é uma forma cristalina de carbono e é uma das substâncias mais duras conhecidas. |
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Mercúrio |
13.53 |
O mercúrio é um metal líquido à temperatura ambiente, usado em termômetros e dispositivos de medição. |
| Azeite de oliva | 0,92 - 0,92 | O azeite é um líquido natural muito utilizado na culinária e na gastronomia. |
Materiais usados como combustível nuclear
Abaixo anexei a densidade dos materiais diretamente relacionados à energia nuclear. Esses materiais são essenciais em diversas aplicações na indústria nuclear e na geração de energia elétrica em usinas nucleares.
Estes valores podem variar dependendo da forma e estado do material, portanto são valores aproximados.
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Substância |
Densidade (g/cm³) |
Descrição |
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19.05 |
O urânio é um metal pesado usado como combustível em reatores nucleares para gerar energia. |
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19,86 |
O plutônio é outro material usado como combustível em reatores nucleares e armas nucleares. |
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Urânio empobrecido |
19.1 |
O urânio empobrecido é o urânio que possui uma concentração reduzida do isótopo físsil U-235 e é usado em aplicações militares e civis. |
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Trítio |
0,08 |
O trítio é um isótopo radioativo de hidrogênio usado na produção de energia de fusão nuclear e em dispositivos de iluminação. |