La densidad es una cantidad intensiva de la materia en física y química que expresa cuánta masa de ese material está presente en un volumen dado. Esta propiedad física de la materia se indica con la letra griega ρ.
Para calcular la densidad se utiliza esta fórmula:
Donde,
-
m es la masa
-
V es el volumen
En el sistema SI, la densidad se expresa en kilogramos por metro cúbico (kg/m3 ), pero también se usa la unidad más antigua (del sistema cgs) gramos por centímetro cúbico (g/cm3 ) o kilogramos por decímetro cúbico.
Para calcular el volumen de un objeto se puede recurrir al baño de inmersión que realizó Arquímedes. Se trata de sumergir el objeto en un recipiente con una sección que tenga un área fácil de calcular y multiplicar el área por la diferencia de altura de la superficie del agua.
La densidad del agua destilada a la presión de 1 atm y temperatura de 4 °C es de 1000 kilogramo por metro cúbico (kg/m³), es decir, 1 kg por litro.
¿Cómo afecta la presión y la temperatura a la densidad?
La densidad de una sustancia se suele tabular a una determinada temperatura y presión porque depende del tamaño de estas cantidades intensivas.
Para la mayoría de las sustancias, el volumen aumenta linealmente al aumentar la temperatura. Esta dependencia de la temperatura de la densidad se expresa en el coeficiente de expansión de una sustancia.
El agua, entre otros, es una excepción a esta regla. Especialmente a temperaturas más bajas, el coeficiente de expansión del agua muestra un comportamiento desviado: alrededor de 4 ° C el coeficiente de expansión del agua tiene un mínimo .
La relación entre masa y volumen de una sustancia generalmente aumenta linealmente a presiones hidrostáticas más altas. Esta compresibilidad se expresa en el módulo de compresión. El módulo de compresión está estrechamente relacionado con la elasticidad de un material, que se expresa en el módulo elástico.
¿Cómo varía la densidad entre gases, líquidos y sólidos?
La densidad de una sustancia difiere según el estado de agregación en condiciones estándar . En general, la densidad de una sustancia en la fase sólida es mayor que en la fase líquida.
En cambio, la de los gases es mucho menor que la de los líquidos y sólidos en condiciones estándar.
Gases
Un gas generalmente se comporta como un gas ideal a menos que la presión sea muy alta o la temperatura esté muy por debajo de la temperatura crítica del gas. Para un gas ideal, la densidad se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
donde:
-
M es la masa molar.
-
P es la presión.
-
R es la constante del gas.
-
T es la temperatura absoluta.
Líquidos y sólidos
Los sólidos con estructura cristalina abierta tienen una densidad relativamente baja que los sólidos con una estructura cristalina densa, como los metales y las aleaciones.
Al fundirse, se pierde el orden de la estructura cristalina del sólido y se rompen los enlaces del cristal. Como resultado, la distancia promedio entre átomos o moléculas aumenta de modo que la mayoría de las sustancias se expanden durante la fusión. Por tanto, la densidad de una sustancia suele disminuir durante la fusión.
Tipos de densidades
Existen tres formas diferentes de densidad: absoluta, relativa y aparente. Cada una de estas densidades tiene su propio propósito y aplicación específica, y juntas ofrecen una visión más completa de cómo los materiales y las sustancias se relacionan con su masa y volumen.
Densidad absoluta
La densidad absoluta es el mismo concepto que la densidad de masa (ρ). Representa la cantidad de masa (m) contenida en un volumen (V) dado y se mide en unidades de masa por unidad de volumen, como kilogramos por metro cúbico (kg/m³).
Es la densidad estándar que se utiliza en la mayoría de las aplicaciones físicas y científicas.
Densidad relativa
La densidad relativa, también conocida como gravedad específica, se refiere a la relación entre la densidad de una sustancia y la del agua (a una temperatura y presión específicas).
Dado que el agua se toma como referencia, la densidad relativa no tiene unidades y se expresa como un número adimensional. Si la densidad relativa es menor que 1, significa que la sustancia es menos densa que el agua, y si es mayor que 1, es más densa.
Densidad aparente
La densidad aparente se utiliza en el contexto de materiales granulares, como sólidos particulados o mezclas. Se refiere a la masa total de un sistema dividida por su volumen total, incluyendo tanto las partículas sólidas como los espacios vacíos entre ellas.
La densidad aparente suele ser menor que la real de los sólidos individuales debido a la presencia de porosidad y espacios vacíos.
Ejemplos de densidades
A continuación, adjunto una tabla con ejemplos de diferentes sustancias y sus densidades:
|
Sustancia |
Densidad (g/cm³) |
Descripción |
|
Agua (a 25°C) |
1.00 |
El agua es una sustancia común, esencial para la vida. |
|
Hierro |
7.87 |
El hierro es un metal denso utilizado en la industria y la construcción. |
|
Oro |
19.32 |
El oro es un metal precioso conocido por su alto valor y brillo. |
|
Plomo |
11.34 |
El plomo es un metal pesado que se utiliza en diversas aplicaciones, como baterías. |
|
Aire (a 0°C y 1 atm) |
0.001225 |
El aire es una mezcla de gases que rodea la Tierra. |
|
Aluminio |
2.70 |
El aluminio es un metal ligero y ampliamente utilizado en la industria y la construcción. |
|
Madera (roble) |
0.75 - 0.95 |
La madera es un material orgánico utilizado en la construcción y la fabricación de muebles. |
|
Helio (a 0°C y 1 atm) |
0.0001785 |
El helio es un gas ligero que se utiliza en globos y aplicaciones criogénicas. |
|
Diamante |
3.51 |
El diamante es una forma cristalina de carbono y es una de las sustancias más duras conocidas. |
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Mercurio |
13.53 |
El mercurio es un metal líquido a temperatura ambiente, utilizado en termómetros y dispositivos de medición. |
| Aceite de oliva | 0.92 - 0.92 | El aceite de oliva es un líquido natural ampliamente utilizado en la cocina y la gastronomía. |
Materiales utilizados como combustible nuclear
A continuación adjunto la densidad de materiales directamente relacionados con la energía nuclear. Estos materiales son esenciales en diversas aplicaciones en la industria nuclear y la generación de energía eléctrica en las centrales nucleares.
Estos valores pueden variar según la forma y el estado del material, por lo que estos son valores aproximados.
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Sustancia |
Densidad (g/cm³) |
Descripción |
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19.05 |
El uranio es un metal pesado que se utiliza como combustible en reactores nucleares para generar energía. |
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19.86 |
El plutonio es otro material utilizado como combustible en reactores nucleares y en armas nucleares. |
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Uranio empobrecido |
19.1 |
El uranio empobrecido es uranio que tiene una concentración reducida del isótopo fisible U-235 y se utiliza en aplicaciones militares y civiles. |
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Tritio |
0.08 |
El tritio es un isótopo radiactivo de hidrógeno que se utiliza en la producción de energía nuclear de fusión y en dispositivos de iluminación. |