Densidad

La densidad ( densidad de masa volumétrica o masa específica ) es la relación entre la masa de una sustancia y su volumen . El símbolo más utilizado para la densidad es ρ (la letra griega minúscula rho ), aunque también se puede utilizar la letra latina D (o d ): ^{[ 1 ]}$${\displaystyle \rho ={\frac {m}{V}},}$$ donde ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen. En algunos casos (por ejemplo, en la industria del petróleo y el gas de los Estados Unidos), la densidad se define vagamente como su peso por unidad de volumen , ^{[ 2 ]} aunque esto es científicamente inexacto ; esta cantidad se denomina más específicamente peso específico . 

Para una sustancia pura, la densidad es igual a su concentración másica . Los distintos materiales suelen tener densidades diferentes, y la densidad puede ser relevante para la flotabilidad , la pureza y el envasado . El osmio es el elemento conocido más denso en condiciones estándar de temperatura y presión .

Para simplificar las comparaciones de densidad entre diferentes sistemas de unidades, a veces se reemplaza por la magnitud adimensional " densidad relativa " o " gravedad específica ", es decir, la relación entre la densidad del material y la de un material de referencia, generalmente agua. Así, una densidad relativa menor que uno con respecto al agua significa que la sustancia flota en ella.

La densidad de un material varía con la temperatura y la presión. Esta variación suele ser pequeña para sólidos y líquidos, pero mucho mayor para gases. Al aumentar la presión sobre un objeto, disminuye su volumen y, por lo tanto, aumenta su densidad. Al aumentar la temperatura de una sustancia manteniendo una presión constante, disminuye su densidad al aumentar su volumen (con algunas excepciones). En la mayoría de los fluidos, calentar la parte inferior produce convección debido a la disminución de la densidad del fluido calentado, lo que provoca que ascienda con respecto a un material más denso que no se calienta.

El recíproco de la densidad de una sustancia se denomina a veces volumen específico , término que se utiliza en termodinámica . La densidad es una propiedad intensiva, ya que aumentar la cantidad de una sustancia no incrementa su densidad, sino su masa.

Otras cantidades o proporciones conceptualmente comparables incluyen la densidad específica , la densidad relativa (gravedad específica) y el peso específico .

El concepto de densidad de masa se generaliza en el Sistema Internacional de Cantidades a cantidades volumétricas , el cociente de cualquier cantidad física y volumen, ^{[ 3 ]} como la densidad de carga o la carga eléctrica volumétrica . ^{[ 4 ]}

Según la ecuación de densidad ( ρ = m / V ), la densidad de masa tiene cualquier unidad que sea masa dividida por volumen . Dado que existen muchas unidades de masa y volumen que abarcan diversas magnitudes, se utilizan numerosas unidades de densidad de masa. La unidad del SI , kilogramo por metro cúbico (kg/m³ ⁾ , y la unidad cgs , gramo por centímetro cúbico (g/cm³ ⁾ , son probablemente las más utilizadas. En la industria, otras unidades de masa o volumen, mayores o menores, suelen ser más prácticas, y se pueden utilizar unidades del sistema anglosajón . A continuación se muestra una lista de algunas de las unidades de densidad más comunes.

Las densidades que utilizan las siguientes unidades métricas tienen todas exactamente el mismo valor numérico, una milésima parte del valor en kg/m³ ^. El agua líquida tiene una densidad de aproximadamente 1  g/cm³ ^o 1000  kg/m³ ^, lo que hace que cualquiera de estas unidades del SI sea numéricamente conveniente de usar, ya que la mayoría de los sólidos y líquidos tienen densidades entre 0,1 y 20  g/ ^cm³ .

• gramos por centímetro cúbico (g/ ^cm³ )
• kilogramo por decímetro cúbico (kg/ ^dm³ )
• megagramo por metro cúbico (Mg/m ³ )

Las unidades que emplean las unidades métricas litro y tonelada (tonelada métrica), que no forman parte del SI , incluyen:

• gramos por mililitro (g/mL)
• kilogramo por litro (kg/L)
• toneladas por metro cúbico (t/ ^m³ )

En las unidades de medida estadounidenses, la densidad se puede expresar en:

• Onza avoirdupois por pulgada cúbica (1  g/cm³ ^≈ 0,578036672  oz/pulg³  )
• Onza avoirdupois por onza líquida (1  g/cm³ ^≈ 1,04317556  oz/US  fl  oz = 1,04317556  lb/US fl  pint)
• Libra avoirdupois por pulgada cúbica (1  g/cm³ ^≈ 0,036127292  lb/pulg³  )
• libra por pie cúbico (1  g/cm³ ^≈ 62,427961  lb/  pie³)
• libra por yarda cúbica (1  g/cm³ ^≈ 1685,5549  lb/  yd³)
• libra por galón líquido estadounidense (1  g/cm³ ^≈ 8,34540445  lb/US gal)
• libra por bushel estadounidense (1  g/cm³ ^≈ 77,6888513  lb/bu)
• slug por pie cúbico

Las unidades imperiales que difieren de las anteriores (como el galón y el bushel imperiales difieren de las unidades estadounidenses) rara vez se utilizan en la práctica, aunque se encuentran en documentos antiguos. El galón imperial se basaba en el concepto de que una onza líquida imperial de agua tendría una masa de una onza avoirdupois, y de hecho 1  g/cm³ ^≈ 1,00224129 onzas por onza líquida imperial = 10,0224129 libras por galón imperial. La densidad de los metales preciosos podría basarse en onzas y libras troy , lo que podría generar confusión.

La densidad de un material cristalino se puede calcular a partir de su masa molecular (en daltons ) y el volumen de su celda unitaria . Un dalton por angstrom cúbico es igual a una densidad de1,660 539 068 92 (52)  g/cm ³ , basado en el valor recomendado por CODATA 2022 del dalton. ^{[ 11 ]}

Existen diversas técnicas y normas para la medición de la densidad de los materiales. Estas técnicas incluyen el uso de un hidrómetro (método de flotabilidad para líquidos), pesaje hidrostático (método de flotabilidad para líquidos y sólidos), método del cuerpo sumergido (método de flotabilidad para líquidos), picnómetro (líquidos y sólidos), picnómetro de comparación de aire (sólidos), tubo en U oscilante (líquidos), así como el método de vertido y golpeteo (sólidos). ^{[ 12 ]} Sin embargo, cada método o técnica mide diferentes tipos de densidad (por ejemplo, densidad aparente, densidad esquelética, etc.), por lo que es necesario comprender el tipo de densidad que se está midiendo, así como el tipo de material en cuestión.

En general, la densidad puede modificarse cambiando la presión o la temperatura . Un aumento de la presión siempre incrementa la densidad de un material. Un aumento de la temperatura generalmente la disminuye, pero existen excepciones notables a esta generalización. Por ejemplo, la densidad del agua aumenta entre su punto de fusión a 0  °C y 4  °C; se observa un comportamiento similar en el silicio a bajas temperaturas.

^{El efecto de la presión y la temperatura sobre las densidades de líquidos y sólidos} es pequeño. La compresibilidad de un líquido o sólido típico es de 10⁻⁶ ^bar⁻¹ ( 1 bar = 0,1 MPa) y la dilatación térmica típica es de 10⁻⁵ ^K⁻¹ . Esto se traduce aproximadamente en que se necesitaría una presión atmosférica de alrededor de diez mil veces mayor para reducir el volumen de una sustancia en un uno por ciento. (Aunque las presiones necesarias pueden ser alrededor de mil veces menores para suelos arenosos y algunas arcillas). Una expansión de volumen del uno por ciento generalmente requiere un aumento de temperatura del orden de miles de grados Celsius .    

Por el contrario, la densidad de los gases se ve fuertemente afectada por la presión. La densidad de un gas ideal es $${\displaystyle \rho ={\frac {MP}{RT}},}$$ donde M es la masa molar , P es la presión, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta . Esto significa que la densidad de un gas ideal puede duplicarse duplicando la presión o reduciendo a la mitad la temperatura absoluta.

En el caso de expansión térmica volumétrica a presión constante y pequeños intervalos de temperatura, la dependencia de la densidad con la temperatura es $${\displaystyle \rho ={\frac {\rho _{T_{0}}}{1+\alpha \cdot \Delta T}},}$$ dónde${\displaystyle \rho _{T_{0}}}$es la densidad a una temperatura de referencia,${\displaystyle \alpha }$es el coeficiente de expansión térmica del material a temperaturas cercanas a${\displaystyle T_{0}}$.

La densidad de una disolución es la suma de las concentraciones másicas de los componentes de esa disolución.

Concentración másica de cada componente dado${\displaystyle \rho _{i}}$en una solución suma a la densidad de la solución, $${\displaystyle \rho =\sum _{i}\rho _{i}.}$$

Expresada en función de las densidades de los componentes puros de la mezcla y su participación volumétrica , permite determinar los volúmenes molares en exceso : $${\displaystyle \rho =\sum _{i}\rho _{i}{\frac {V_{i}}{V}}\,=\sum _{i}\rho _{i}\varphi _{i}=\sum _{i}\rho _{i}{\frac {V_{i}}{\sum _{i}V_{i}+\sum _{i}{V^{E}}_{i}}},}$$ siempre que no exista interacción entre los componentes.

Conociendo la relación entre los volúmenes en exceso y los coeficientes de actividad de los componentes, se pueden determinar los coeficientes de actividad: $${\displaystyle {\overline {V^{E}}}_{i}=RT{\frac {\partial \ln \gamma _{i}}{\partial P}}.}$$

El calificador volumétrico se recomienda en el Sistema Internacional de Cantidades ( ISO 80000-1 ) para denotar el cociente de cualquier magnitud física por volumen. ^{[ 3 ]} Las expresiones "por unidad de volumen" o "volumen ... densidad" (o simplemente "densidad") también se utilizan con frecuencia, con unidades resultantes que incluyen el metro cúbico recíproco (m ⁻³ ), por ejemplo:

• densidad de masa o masa volumétrica ^{[ 3 ] [ 31 ]}
• densidad de carga o carga eléctrica volumétrica, la carga eléctrica por volumen ^{[ 3 ] [ 4 ]}
• densidad numérica o número volumétrico, el número de entidades por unidad de volumen ^{[ 3 ]}
• densidad de actividad o actividad volumétrica ^{[ 32 ]}
• densidad energética , energía potencial por unidad de volumen
• densidad de fuerza , fuerza por unidad de volumen
• densidad de potencia , potencia por unidad de volumen

• "Densidad"  . Encyclopædia Britannica . Vol. 8 (11.ª ed.). 1911.
• "Densidad"  . Obra de referencia para el nuevo estudiante  . 1914.
• Vídeo: Experimento de densidad con aceite y alcohol.
• Vídeo: Experimento de densidad con whisky y agua
• Cálculo de la densidad del vidrio: cálculo de la densidad del vidrio a temperatura ambiente y de vidrios fundidos a 1000-1400 °C.
• Lista de elementos de la tabla periódica – Ordenados por densidad
• Cálculo de las densidades de líquidos saturados para algunos componentes.
• Prueba de densidad de campo. Archivado el 15 de diciembre de 2010 en Wayback Machine .
• Agua: densidad y peso específico
• Dependencia de la densidad del agua con la temperatura – Conversiones de unidades de densidad
• Un delicioso experimento de densidad. Archivado el 18 de julio de 2015 en la Wayback Machine.
• Calculadora de densidad del agua Archivada el 13 de julio de 2011 en Wayback Machine Densidad del agua para una salinidad y temperatura dadas.
• Calculadora de densidad de líquidos Seleccione un líquido de la lista y calcule su densidad en función de la temperatura.
• Calculadora de densidad de gases Calcula la densidad de un gas en función de la temperatura y la presión.
• Densidades de diversos materiales.
• Determinación de la densidad de sólidos. Archivado el 4 de junio de 2013 en Wayback Machine . Instrucciones para realizar un experimento en el aula.
• Lam EJ, Alvarez MN, Galvez ME, Alvarez EB (2008). "Un modelo para calcular la densidad de soluciones electrolíticas multicomponentes acuosas" . Journal of the Chilean Chemical Society . 53 (1): 1393–8 . doi : 10.4067/S0717-97072008000100015 .
• Radović IR, Kijevčanin ML, Tasić AŽ, Djordjević BD, Šerbanović SP (2010). "Propiedades termodinámicas derivadas de mezclas de alcohol + ciclohexilamina". Revista de la Sociedad Química Serbia . 75 (2): 283– 293. CiteSeerX 10.1.1.424.3486 . doi : 10.2298/JSC1002283R .