Masse volumique et densité

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Expliquer la différence fondamentale entre masse volumique et densité.

Expliquer pourquoi l'eau de mer est plus dense que l'eau douce.

Quelle est la spécificité de l'eau en rapport à la masse volumique ?


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Masse volumique

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Sommaire

 

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.

Roches, minéraux
corps usuels
masse volumique
kg.m-3
ardoise 2700 - 2900
amiante 2500
argile 1700
béton 2000
calcaire 2600 - 2700
craie 1250
granite 2600 - 2700
grès 2600
kaolin 2260
marbre 2650 - 2750
quartz 2650
pierre ponce 910
porcelaine 2500
terre végétale 1250
verre à vitres 2530
Métaux
et alliages
masse volumique
kg.m-3
acier 7800
acier rapide HSS 8400 - 9000
aluminium 2700
argent 10500
bronze 8400 - 9200
carbone (diamant) 3508
carbone (graphite) 2250
constantan 8910
cuivre 8920
fer 7860
iridium 22640
laiton 7300 - 8400
lithium 530
magnésium 1750
mercure 13600
molybdène 10200
nickel 8900
or 19300
osmium 22610
palladium 12000
platine 21400
plomb 11300
potassium 850
tantale 16600
titane 4500
tungstène 19300
uranium 18700
vanadium 6100
zinc 7140
Liquides masse volumique
kg.m-3
acétone 790
acide acétique 1049
azote à -195°C 810
brome à 0°C 3087
eau 1000
eau de mer 1030
essence 750
éthanol 789
éther 710
gasoil 850
glycérine 1260
hélium à -269°C 150
huile d'olives 920
hydrogène à -252°C 70
lait 1030
mercure 13545,88
oxygène à -184°C 1140
Bois masse volumique
kg.m-3
acajou 700
buis 910 - 1320
cèdre 490
chêne 610 - 980
chêne (cœur) 1170
ébène 1150
frêne 840
hêtre 800
liège 240
peuplier 390
pin 740
platane 650
sapin 450
teck 860
Gaz à 0°C formule masse volumique
kg.m-3
acétylène - 1,170
air à 0°C - 1,293
air à 20°C - 1,204
ammoniac - 0,77
argon Ar 1,7832
azote N2 1,250 51
butane (iso-) - 2,670
butane (normal) - 2,700
dioxyde de carbone CO2 1,976 9
eau (vapeur) à 100°C H2O 0,5977
hélium He 0,178 5
dihydrogène H2 0,0899
krypton - 3,74
néon - 0,90
oxyde de carbone CO 1,250
ozone O3 2,14
propane - 2,01
radon Rn 9,73
Matières plastiques masse volumique
kg.m-3
Polypropyléne 850 - 920
Polypropyléne basse densité 890 - 930
Polypropyléne haute densité 940 - 980
ABS 1040 - 1060
Polystyrène 1040 - 1060
Nylon 6,6 1120 - 1160
Polyacrylate de méthyle 1160 - 1200
PVC + plastifiant 1190 - 1350
Polyéthylène/téréphtalate 1380 - 1410
PVC 1380 - 1410
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Densité

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Pour les articles homonymes, voir Densité (homonymie).

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

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Masse volumique de l'eau en fonction de la température

Sur ce graphe est indiqué la Température de maximun de Densité (TMD).

Ce graphe est extrait de ce site internet .