La densité et la masse volumique sont deux notions difficiles à cerner parce qu’elles prêtent à confusion. Cet article vous éclaire par rapport à la différence qui existe entre ces deux notions.
Qu’est-ce que la densité ?
La densité d’une substance correspond au rapport entre la masse volumique de la substance et la masse volumique du corps de référence. Ces données doivent être prises dans les mêmes conditions de température. L’eau sert de repère en ce qui concerne les matières solides et les matières liquides. En ce qui concerne le gaz, c’est l’air qui est la référence.
Notation
La densité est notée par la lettre « d ». Il s’agit simplement de sa première lettre. Comme il s’agit du rapport de deux différents éléments, aucune mesure ne lui est attribuée. Normalement, puisque les deux éléments dont elle constitue le rapport ont la même unité, elle aurait pu avoir une unité de base bien déterminée. Mais tel n’est pas le cas. La densité n’a pas d’unité.
La mesure de la densité
La méthode de mesure de la densité varie selon le degré de fiabilité recherché. En effet, il existe différents moyens de détermination de la densité.
L’outil utilisé le plus fréquemment est le densimètre standard en verre lesté avec du plomb.
Pour effectuer la mesure, il faut avoir une éprouvette à disposition. Dans celle-ci, le liquide doit être versé. Le densimètre devra donc être immergé dans le liquide. Sur l’outil de mesure est inscrite une graduation. Ces chiffres vous serviront pour la prise de la mesure.
Ainsi, lorsque l’outil est plongé, la densité sera déterminée par le niveau jusqu’auquel l’immersion se fait. Vous pourrez ainsi lire la mesure sur le densimètre.
Il est possible de vérifier l’efficacité de l’outil de mesure. À cet effet, vous pouvez faire usage d’un des étalons de densité pour réaliser un étalonnage.
Pour effectuer des mesures beaucoup plus justes, vous avez la possibilité d’utiliser un pycnomètre. Il s’agit d’un bocal qui a une apparence semblable à celle d’une fiole. Sa particularité est qu’il permet d’avoir des mesures très justes. Le pycnomètre ayant servi pour mesurer la densité devra être utilisé pour réaliser la mesure de la masse de substance et celle de la masse d’eau.
À défaut du densimètre à graduation, il est également possible de faire usage d’un densimètre automatique. Ce sont des appareils qui assurent la précision dans la mesure de la densité.
Pour ce qui est de la détermination de la densité des solides, le pycnomètre peut également être utilisé. Dans ce cas, il est fait usage d’un solvant aux propriétés d’évaporation réduite. Il est ensuite effectué des pesées successives. Il est possible de faire usage du xylème dans plusieurs cas.
Qu’est-ce que la masse volumique ?
La masse volumique est une grandeur physique. Elle se détermine en faisant le rapport de la masse d’une substance par unité de volume. L’opération inverse permettra de déterminer le volume massique. Par le passé, la masse volumique était désignée comme la masse spécifique, la densité propre ou absolue.
Pour ce qui est de son annotation, il y a deux différentes options. Premièrement, elle peut être représentée par le symbole ρ ou le symbole µ. Il s’agit de deux lettres de l’alphabet grecques. Mais il convient de préciser que le symbole homologué par Bureau international des poids et mesures (BIPM) est le premier.
Instrument de mesure de la masse volumique
Le pycnomètre est l’instrument permettant d’effectuer la mesure de la masse volumique. Le débitmètre à effet Coloris est également utilisable pour la détermination de la masse volumique. Ces deux instruments peuvent être utilisés pour le gaz, pour un liquide ou encore pour un solide.
Avec le solide, il existe une autre possibilité. Il s’agit de la pesée. Une balance peut être utilisée à cette fin. Dans ce cas, il faut effectuer une pesée dans l’air. Ensuite, il faut réaliser la pesée dans une solution liquide. Le fluide le plus recommandé pour procéder à cette opération est l’eau. Avec cette technique, vous avez la garantie d’obtenir un résultat assez fiable.
Par ailleurs, pour les liquides, il est possible de faire usage d’un hydromètre. Si c’est la fiabilité qui vous pousse à réaliser cette option alors vous n’avez pas cherché la meilleure solution puisque le récipient étalon permet d’avoir un résultat bien plus fiable.
En dehors de tous ces instruments, vous pouvez également faire usage d’un outil numérique dont le mode de fonctionnement repose sur la méthode du tube en U oscillant. Il s’agit du densimètre électronique.
Quels sont les éléments qui peuvent influencer la masse volumique d’un corps ?
Il y a certains éléments externes qui peuvent jouer sur la masse volumique. La température ainsi que la pression de mesure peuvent jouer sur la masse volumique. Mais il convient de préciser que ces éléments impactent beaucoup plus les gaz.
Quand on prend un solide, l’augmentation de la pression induit la diminution de son volume. Il s’observe donc une augmentation de la masse volumique. Le coefficient de dilatation permet de décrire la variation avec la température.
L’humidité contribue également à la modification de la masse volumique. Mais ici, c’est seulement pour les solides qui sont en mesure d’incorporer de l’eau. Le bois fait partie de cette catégorie.
Les différences entre densité et masse volumique
La densité est une grandeur qui peut être déterminée pour tous les corps. Ce qui n’est pas le cas de la densité. En effet, cette grandeur n’intervient que dans les situations dans lesquelles les particules sont recouvertes de manière lâche tout en détenant de la place pour l’air.
De plus, la densité apparente d’un élément peut changer selon l’état dans lequel se trouve l’élément lorsque la densité est prise. Ce n’est donc pas une grandeur propre à chaque corps. Elle peut changer. Alors que la masse volumique d’un corps ne change pas. Elle reste fixe.
Conclusion
Il faut retenir que la masse volumique d’un corps est le rapport de sa masse par son volume. La densité quant à elle est le rapport de la masse volumique et l’eau.
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Le volume et la masse volumique
La masse volumique d’un échantillon est le rapport de la masse m de cet échantillon à son volume v. (ρ est la masse volumique)
![[ rho = frac { m } { V } ]](https://i0.wp.com/www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-5437fa6db1182f05130051b781f6d777_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
ou
![[ m = rho times v ]](https://i0.wp.com/www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-0df7e4465c113be9675a7ce27f07df24_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
ou
![[ v = frac { m } { rho } ]](https://i0.wp.com/www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-d46f08ecab52146d0eca48b6416adffb_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
La densité d’un liquide est égale au quotient de la masse d’un volume v par la masse d’un même volume d’eau. (la densité s’exprime sans unité)
![[ d = frac { text { masse d un volume v de liquide } }{ text { masse d un volume v d'eau } } ]](https://i0.wp.com/www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-d6d89422de60d96ac0fd66fa562fef3e_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Définition du volume
Selon le domaine dans lequel ce mot est utilisé, la définition peut être différente. Mais, dans tout les cas, le volume représente une grandeur qui permet la mesure de l’extension d’un objet ou d’une partie de l’espace.
- En sciences physique, le volume d’un objet permet de mesurer l’extension dans l’espace physique que celui-ci possède et ce dans les trois direction de façon simultanée et de façon similaire à l’aire d’une figure dans le plan qui, quant à elle, mesure l’extension que celle-ci possède dans deux directions de façon simultanée.
- En mathématiques, le volume d’une partie de l’espace géométrique correspond à sa mesure dans le sens de la théorie de la mesure de Lebesgue.
Mesurer le volume d’un solide
Dans le Système International d’Unités, le volume se mesure en mètre cube bien que le litre soit très fréquemment utilisé, notamment en ce qui concerne les liquides et autres matières sèches. De ce fait, on considère le volume comme étant une grandeur extensive dont la grandeur intensive thermodynamique associée est la pression.
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La masse d’un corps
En physique, la masse correspond à une grandeur physique positive et intrinsèque d’un corps.
De façon plus précise, en physique newtonienne, la masse correspond à une grandeur extensive. Cela signifie alors que la masse d’un corps formé de parties correspond à la somme des masses de ces différentes parties qui le compose.
De plus, il est essentiel de noter que la masse est une grandeur conservative. De ce fait, elle reste constante dans le cas d’un système isolé qui n’échange donc pas de matière avec son environnement.
Pour une espèce donnée, la masse m, la quantité de matière n et la masse molaire M sont liés par :
![[ n = frac { m } { M } ]](https://i0.wp.com/www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-399dc1b24d8176a9ca6e3eb62417dd42_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
![[ m = n times M ]](https://i0.wp.com/www.superprof.fr/ressources/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-58fba1d8d252156aeb7c6f059cbac085_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Les propriétés
La masse peut se manifester au travers de deux propriétés fondamentales :
En effet, en mécanique statique, la masse est correspond à l’un des premières grandeurs facilement mesurable par les gens via le système de pesée puisque celle-ci permet de comparer la masse de l’objet défini avec un masse étalon connue. On appellera alors ce système la masse pesante. C’est ainsi que l’on liera la quantité de matière d’un corps à sa masse.
Tandis qu’en mécanique dynamique, la masse correspond à une grandeur qui intervient dans le principe fondamental de la dynamique comme étant la résistance de la matière au changement de vitesse. En effet, plus la masse d’un corps est importante, plus il faudra exercer une force important pour modifier la direction ou encore sa vitesse. On appelle alors ce phénomène « masse inerte ».
Ainsi, cet aspect de la masse présente un rôle essentiel dans tous les domaines de la dynamique puisqu’elle correspond à une notion présente dans grand nombre de relations de physique classique ou encore dans les calculs qui permettent de les définir. En effet, il est possible de constater une proportionnalité entre la masse inerte et la masse pesante et cela de façon totalement indépendante de la nature du matériau mis en jeu. Cela permet alors de prendre la même unité pour la masse pesante et la masse inerte et donc de pouvoir les définir comme étant égale. Ainsi, cette équivalence à permis de définir un principe d’équivalence.
Attention à ne pas confondre la masse et le poids !
L’unité
L’unité de masse est le kilogramme dans le Système international d’unités (S.I.).
Comme pour le litre il existe des sous-unités : kg ; hg ; dag ; g ; dg ; cg ; mg .
Attention à ne pas faire comme une majorité et confondre la masse avec le poids. En effet, dans le vocabulaire de la physique, le poids correspond à la force exercée par la gravité sur un corps pesant.
La masse de l’objet dépend de la densité de l’objet mais également du volume
A noter que déclarer que 1 Litre pèse 1 Kilogramme est totalement faux. En effet, un litre d’huile pèse 800 g et non pas 1 kg.
Calculer une masse volumique
La masse volumique d’une substance correspond à la masse de cette substance dans une unité de volume. S’il s’agit donc du rapport de la masse (m) de la substance par son volume (V, ici en m3 et non en L). La masse volumique, notée ρ (lettre grecque qui se prononce rho), s’exprime selon la relation suivante :
ρ = m/Vm
- en kilogramme ( kg )
- V en mètre cube ( m3)
- ρ en kilogramme par mètre cube ( kg.m-3)
Exemple :
Nous avons une substance avec une masse m = 4kg et un volume de V = 500 dm3. Quelle est sa masse volumique ?
- Conversion du volume en m3
V = 500 dm3 = 0,5 m3
- Calcul de la masse volumique ρ
On sait que : ρ = m/V
Ainsi, ici, ρ = = 8 kg.m-3
Les unités de masse volumique
La masse volumique peut être exprimée selon d’autres unités que le kilogramme par décimètre cube (kg.m3). En effet, en payant une grande attention aux conversions, on peut utiliser d’autres unités tout en conservant la cohérence nécessaire.
On sait que :
1 kg = 1000 g et 1 m3 = 1000 dm3
Ainsi, on peut écrire :
1 kg / 1 m3 = 1000 g / 1000 dm3 = 1 g / 1 dm3
De cette façon, la valeur de la masse volumique reste la même ; seules les unités varient. On pourrait également montrer que cela reste vrai pour le milligramme par centimètre cube (mg.cm-3).
Calculer la masse (m) d’une substance à partir de sa masse volumique (ρ)
Si l’on modifie la relation précédente qui exprimait donc la masse volumique en fonction du volume et de la masse, on peut alors calculer la masse :
ρ = m/V ⬄ m = ρ x V
- m en kilogramme (kg)
- V en mètre cube (m3
)
- ρ en kilogramme par mètre cube (kg.m-3)
Exemple :
Un récipient contient V = 200 mL d’éthanol dont la masse volumique de ρ = 789 kg.m-3 . Quelle est la masse de l’éthanol ?
- Conversion du volume en m3
V = 200 mL = 0,2 L
Or 1 L = 1 dm3 Donc V = 0,2 L = 0,2 dm3 = 0,0002 m3
- Calcul de la masse m
On sait que : m = ρ x V
Ainsi, ici, on peut écrire : m = 789 x 0,0002
m = 0,1578 kg
m = 157,8 g
Le récipient contient donc 157,8 g d’éthanol.
Calculer le volume d’une substance à partir de sa masse volumique
Pour calculer le volume d’une substance à partir de sa masse volumique, il suffit de reprendre la relation précédente et par un simple rapport de proportionnalité on obtient :
Exemple
Un morceau d’aluminium a une masse de 972 g et une masse volumique de 2700 kg/m3. Quelle est alors le volume du morceau d’aluminium ?
On a donc m = 972 g et p = 2700 kg.m3
La masse donnée doit être convertie en kg : m = 972 g = 0,972 kg
On utilise la relation V = m/ρ
Ainsi, on peut écrire :
- V = 0,972/27000
- V = 3,6 x 10-4 m3
- V = 0,36 m3
La densité
La densité d’une substance se note d et correspond au rapport de la masse volumique de cette substance par la masse volumique de l’eau pure à une température de 4°C.
La densité peut donc être calculée en utilisant la relation suivant e:
d(substance)= ρ(substance)/ρ(eau)
Les deux masses volumiques doivent être exprimées dans la même unité.
La densité n’a donc pas d’unité (les deux unités s’annulant) ! On sait qu’un litre d’eau a une masse d’un kilogramme ρeau = 1 kg.dm-3. Ainsi, si les masses volumiques (de l’eau et et de la substance) sont exprimées en kilogramme par décimètre cube (kg.dm-3), alors la relation devient :
- d(substance) = ρ(substance)/1
- donc d(substance) = ρ(substance).
Autrement dit, la densité de la substance est alors égale à sa masse volumique dans ces conditions (à savoir une masse volumique exprimée en kg.dm-3).
C’est pour cette raison que les notions de densité et de masse volumique sont souvent sujet à des confusions. Elles restent très liées mais quelque peu différentes.
Densité et repérage des phases d’un mélange de liquides non miscibles
La densité est la grandeur qui permet de savoir si une substance flotte ou coule dans un autre liquide.
Par exemple, l’eau ayant une densité de 1 alors toute substance ayant une densité supérieure coule et pénétrer dans le liquide. En revanche, toute substance avec une densité inférieur flotte.
Plus généralement la substance ayant la plus faible densité flotte sur celle qui a la densité la plus élevée.
Par exemple la densité de l’essence est de 0,75 tandis que celle de l’éther est de 0,71. Donc l’essence coule et pénètre dans la solution d’éther.
LABO : détermination expérimentale de la masse volumique d’un liquide
Matériels
- Balance
- Fiole jaugée
Protocole
- Faire la tare de la balance.
- Placer la fiole jaugée sur la balance.
- Relever la valeur qui s’affiche m1
- Remplir la fiole jaugée de volume V1 = 50 mL du liquide
- Peser alors l’ensemble fiole jaugée + 50 mL de liquide et noter la valeur de la masse m2
- Déterminer la masse volumique du liquide (en divisant la masse (m1) sur le volume (V1)
- Déterminer la densité du liquide (en divisant sa masse volumique par celle de l’eau)
Masse volumique : le saviez-vous ?
Il également possible de mesurer la densité des gaz et solides !
Si dans le cas de solides, celle-ci se calcule de la même manière que pour les liquides (rapport de la densité du solide sur la densité d’un solide de référence) ; pour les gaz, le rapport se fait en référence à la masse volumique de l’air !
La valeur de la masse volumique de l’air correspond à la masse d’1 L d’air à 0°C sous une pression de 760 mmHg et est de 1,29 g.
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