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Introduction

Pour une toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du matériau appelée masse volumique. MasseVolumique = Masse / Volume

Mais le volume d'une masse donnée dépend de la température et, particulièrement pour les gaz, de la pression. La masse volumique dépend donc des conditions de température et de pression.

Pour des conditions de température et de pression données, le coefficient de proportionnalité m / V est une caractéristique du matériau.

Unités de mesure

L'unité de mesure de la masse volumique est dérivée des unités de mesure de masse et de volume. On peut ainsi exprimer la masse volumique en g.cm^-3, kg.dm^-3, t.m^-3.

Remarques :

1. Dans ces unités, la valeur numérique ne change pas car 1 g.cm^-3 = 1 kg.dm^-3 = 1 t.m^-3.
2. La tonne n'est pas une unité de masse du système international. Il convient d'utiliser le kilogramme et ses multiples ou sous-multiples.
3. La masse volumique de l'eau est proche de 1 kg.dm^-3. Ce n'est pas un hasard, mais cela résulte des premières tentatives de définition du kilogramme : la masse d'un litre d'eau. (Sa valeur actuelle est, à 4 °C, de 0,99995 kg.dm^-3).

Masse volumique et densité

La densité d'un matériau est, pour les solides et les liquides, le rapport de la masse volumique de ce matériau à celle de l'eau. Pour les gaz, la densité est calculée en rapport avec la masse volumique de l'air. Dans les deux cas, la densité est donc un nombre sans dimension (donc sans unité).

Remarques :

1. Le terme densité est souvent employé incorrectement à la place de l'expression masse volumique. Ceci provient de ce que, pour les solides et les liquides, la valeur numérique est la même.
2. On utilise également l'expression "densité relative" pour désigner le rapport de deux masses volumiques de matériaux différents.

Tables des masses volumiques de diverses substances

Sauf indications contraires, les masses volumiques sont données pour des corps à la température de 20 °C, sous la pression atmosphérique normale.

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La densité est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume d'eau pure à la température de 3,98 °C.

Par définition, la densité de l'eau pure à 3,98 °C est égale à 1 ; la valeur de la densité permet de déterminer la flottabilité d'un matériau dans de l'eau pure : si cette valeur est inférieure à 1 (celle de l'eau), un bloc de matériau flottera (puisqu'à volume égal, il subira immergé dans l'eau une poussée supérieure à son propre poids).

La définition de la densité permet sa mesure en laboratoire. Elle peut aussi se calculer en divisant la masse volumique de la substance par 1000 kg/m³, masse volumique de l'eau pure à 3,98 °C.

• Attention : en anglais le mot mass-density est souvent réduit à density pour signifier masse volumique. La densité comme définie dans le système métrique se traduit, en anglais, dans le système de mesures anglo-saxon, en "Specific Gravity".

Les densités les plus importantes connues sont peut-être atteintes dans les étoiles à neutrons. La singularité gravitationnelle au centre d'un trou noir, conformément à la relativité générale, n'a pas de volume et sa densité peut ainsi être vue comme infinie ou inexistante.

Les substances les plus denses sur Terre sont l'osmium et l'iridium, dont la densité dépasse 22,6.

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Mesure de densité

Il est assez facile de mesurer la densité d'un corps solide insoluble et imperméable.

Densité supérieure à celle de l'eau : le plomb

• Prendre une balance électronique à plateau et mettre un récipient contenant de l'eau ;
• Appuyer sur le bouton tare et la balance affiche zéro (cliché de gauche) ;
• Attacher l'objet à un fil fin (dans l'expérience photographiée : 6 plomb de pêche de 15 g) ;
• Mettre l'objet sur la balance qui affiche 90 grammes que l'objet soit sur le plateau ou qu'il soit au fond du récipient contenant de l'eau (cliché du milieu) ;
• Tenir l'objet par le fil de façon qu'il soit immergé sans toucher les parois du récipient: la balance indique 8 grammes dus à la célèbre poussée d'Archimède (cliché de droite).

On en déduit que le plomb a une densité de 90/8 = 11,25 ; la température de l'eau étant de 18 °C.

Attention : le plomb est toxique ; ne pas utiliser l'eau ou le récipient pour boire. Se rincer les mains après manipulation.

Densité inférieure à celle de l'eau : le liège

• Prendre un bouchon de grand volume, genre bouchon de pot de moutarde et donc une coupelle contenant de l'eau de diamètre plus grand que le diamètre du bouchon ;
• Prendre une balance électronique à plateau et mettre la coupelle contenant de l'eau ;
• Appuyer sur le bouton tare et la balance affiche zéro (cliché de gauche) ;
• Mettre une épingle sur l'axe du bouchon ;
• Mettre le bouchon sur la balance qui affiche 12 grammes qu'il soit sur le plateau ou qu'il soit flottant sur l'eau du récipient : l'eau transmet le poids du bouchon à la balance, via la célèbre poussée d'archimède (cliché du milieu) ;
• Tenir par l'intermédiaire de l'aiguille le bouchon de façon qu'il soit entièrement immergé sans toucher les parois du récipient : la balance indique 52 grammes dus à la célèbre poussée d'Archimède (cliché de droite).

On en déduit que le liège a une densité de 12/52 = 0,23 ; la température de l'eau étant de 18 °C.

La référence de l'eau à 3,98 °C

Parler de « densité relative » constitue a priori un pléonasme. Cependant, il peut être utile de faire des comparaisons dans des conditions hors normes. On peut par exemple avoir besoin de comparer, à la température ambiante, une pièce réalisée en bronze (densité 8,1) à la même pièce réalisée dans un alliage d'aluminium (densité 2,7). On pourra dire alors que le bronze est (relativement) trois fois plus dense que l'aluminium, ou que la densité (relative) du bronze par rapport à l'aluminium est de 3. Ce n'est pas le caractère relatif qui change, mais la référence.

Pourquoi choisir l'eau à 3,98 °C ? Il se trouve que lorsque la température de l'eau baisse, son volume diminue, jusqu'à 3,98 °C, et augmente si l'on continue de refroidir jusqu'à la congélation. Dans le domaine des mesures, le fait de prendre comme référence une propriété physique qui passe par un extrémum est très intéressant : au voisinage de 3,98 °C, la masse volumique de l'eau reste sensiblement constante, on n'a donc pas besoin de déterminer la température avec une grande précision, ce qui ne serait pas le cas aux autres températures. La masse volumique et la densité de l'eau sont maximales à 3,98 °C à la pression atmosphérique normale.

Cette particularité permet à l'eau tiède, à l'eau très froide et à la glace de flotter au-dessus de l'eau à 3,98 °C. Si l'eau se comportait comme la plupart des autres corps, la glace tomberait au fond des lacs, des rivières et des océans, où la vie serait alors pratiquement impossible, du moins sous la forme que nous connaissons.

Parmi les métaux moins denses à l'état solide qu'à l'état liquide, il existe l'argent et le bismuth. Cela pose des problèmes importants lors du moulage, à cause du gonflement qui accompagne la solidification.

Voir aussi

• densité de probabilité
• glossaire des minéraux
• masse volumique
• minéralogie
• pétrographie

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