Masse volumique

La masse volumique d'une substance, aussi appelée densité volumique de masse, est une grandeur physique qui caractérise la masse de cette substance par unité de volume^[1]. C'est l'inverse du volume massique. La masse volumique est synonyme des expressions désuètes « densité absolue », « densité propre »^[2], ou encore « masse spécifique ».

Masse volumique

Le thermomètre de Galilée utilise la variation de la masse volumique du liquide incolore en fonction de la température.

Données clés

Unités SI	kg/m3
Dimension	M.L-3
Nature	intensive
Symbole usuel	ρ

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Cette grandeur physique est généralement notée par les lettres grecques ρ (rhô) ou µ (mu). Leur usage dépend du domaine de travail. Toutefois, le BIPM recommande^[3] d'utiliser la notation ρ.

Il ne faut pas confondre la masse volumique d'une substance avec sa densité, cette dernière étant le rapport de la masse volumique de la substance à celle de l'eau (pour des substances solides ou liquides) ou de l'air (pour des substances gazeuses). La masse volumique de l'eau valant 1 g/cm³ à 3,98 °C, la densité d'un solide ou d'un liquide s'exprime par la même valeur numérique que sa masse volumique en g/cm³ ou en kg/l. Par exemple, il est équivalent de dire que la densité de l'éthanol est de 0,79 ou que sa masse volumique est de 0,79 g/cm³. Ceci donne lieu à des confusions fréquentes entre les concepts de masse volumique et de densité. Une source d'erreur supplémentaire est qu'en anglais la masse volumique se dit density (et la densité relative density).

La masse volumique est une grandeur intensive définie localement, en tout point M d'une substance :

${\displaystyle \rho (\mathrm {M} )={\frac {\delta m}{\delta V}}}$

où ${\displaystyle \delta m}$ est la masse infinitésimale de la substance occupant le volume ${\displaystyle \delta V}$ infinitésimal qui entoure M^[4]. On peut aussi définir la masse volumique moyenne :

${\displaystyle {\bar {\rho }}={\frac {m}{V}}}$

où m est la masse de la substance et V le volume qu'elle occupe. On peut également l'obtenir par intégration :

${\displaystyle {\bar {\rho }}={\frac {1}{V}}\iiint \rho (\mathrm {M} )\,\mathrm {d} V}$

où l'intégrale triple est étendue à tout l'espace occupé par la substance.

Unités de mesure

L'unité de mesure de la masse volumique dans le Système international est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). Dans le système CGS, elle s'exprime en g/cm³, ce qui a l'avantage de donner des valeurs numériques de l'ordre de l'unité pour les solides dans les conditions normales de température et de pression (CNTP).

On utilise couramment le g/cm³, le kg/l ou la t/m³ (ces dernières unités étant numériquement équivalentes) ou toute autre unité exprimée par le rapport d'une unité de masse et d'une unité de volume.

Ces unités ne doivent pas être confondues avec la notation g/l fréquemment utilisée en chimie pour caractériser la concentration d'un soluté dans une solution aqueuse. Par exemple le sérum physiologique est une solution à 9 g/l de NaCl ; cela signifie qu'il y a 9 g de NaCl pour 1 l de solution, et pas que la masse volumique du sérum est 9 g/l. À la différence de la masse volumique, le gramme et le litre ne correspondent pas à la même matière.

La valeur numérique est la même dans plusieurs unités car 1 g/cm³ = 1 kg/dm³ = 1 kg/l = 1 t/m³, et de même 1 g/l = 1 kg/m³ La masse volumique de l'eau est très proche de 1 kg/l. Ce n'est pas un hasard car cela résulte des premières tentatives de définition du kilogramme comme la masse d'un litre d'eau à 4 °C (température à laquelle la masse volumique de l'eau est maximale) ; la valeur exacte de la masse volumique de l'eau à 4 °C est de 0,999 972 kg/l^[5].

Instruments de mesure

Pycnomètre.

La masse volumique d'un liquide, d'un solide ou d'un gaz peut être déterminée à l'aide d'un pycnomètre ou par le débitmètre à effet Coriolis. Pour les solides, il est également possible d'utiliser une balance et d'effectuer une pesée dans l'air puis une pesée dans un liquide (l'eau de préférence), cette méthode permet une plus grande précision. En ce qui concerne les liquides, il est possible d'utiliser un hydromètre mais la mesure ne sera pas aussi précise que lors d'une mesure simple avec un récipient étalon^[6].

Un densimètre automatique pour du gaz et du fluide qui utilise le principe du tube en U oscillant.

Une autre possibilité pour déterminer les densités de liquides et de gaz est d'utiliser un instrument numérique basé sur le principe du tube en U oscillant, le densimètre électronique dont la fréquence résultante est proportionnelle à la masse volumique du produit injecté^[5].

Différentes masses volumiques en milieux granulaires

Définition des volumes.

Masse volumique en vrac ou apparente

La masse volumique apparente est le rapport entre la masse des particules et le volume apparent qui comprend le volume du solide, celui des pores et le volume de l'espace entre les grains^[7]. Les valeurs données dans les tableaux de cet article sont définies par cette masse volumique qui est la plus couramment utilisée pour les matériaux de manière générale.

${\displaystyle \rho _{\mathrm {app} }={\frac {m_{\mathrm {mat} }}{V_{\mathrm {app} }}}}$

Pour les matériaux usuels de construction (sable, graviers, etc.) cette masse volumique varie entre 1 400 et 1 600 kg/m³.

Masse volumique réelle

C'est le rapport entre la masse de matériau et le volume réel des grains (somme des volumes élémentaires des grains y compris le volume des pores fermés).

${\displaystyle \rho _{\mathrm {r{\acute {e}}el} }={\frac {m_{\mathrm {mat} }}{V_{\mathrm {r{\acute {e}}el} }}}}$

Pour les granulats courants, cette masse volumique varie entre 2 500 et 2 650 kg/m³ et pour le ciment, elle varie entre 2 850 et 3 100 kg/m³ selon la catégorie.

Masse volumique absolue ou de la matière

Cette grandeur est intéressante pour les matériaux poreux. Pour y accéder, il faut broyer très finement le matériau et mesurer la masse volumique réelle de la poudre obtenue. La masse volumique absolue est donc le rapport de la masse du matériau sur le volume réel auquel on a soustrait le volume des pores (ouverts et fermés). Elle est égale à la masse volumique réelle dans le cas des matériaux non poreux.

${\displaystyle \rho _{\mathrm {absolu} }={\frac {m_{\mathrm {mat} }}{V_{\mathrm {absolu} }}}={\frac {m_{\mathrm {mat} }}{V_{\mathrm {r{\acute {e}}el} }-V_{\mathrm {pores} }}}}$

Masse volumique des solutions

La masse volumique d’une solution est la somme des concentrations massiques (masses volumiques partielles) des composants de la solution :

${\displaystyle \rho ={\frac {1}{V}}\sum _{i}m_{i}=\sum _{i}\rho _{i}}$

où :

m_i est la masse du composant i dans le mélange,

V le volume de mélange,

${\displaystyle \rho _{i}=m_{i}/V}$ la concentration massique du composant i dans le mélange.

Autre expression :

${\displaystyle \rho =\sum _{i}\rho _{i}^{0}{\frac {V_{i}}{V}}}$.

Relation entre la masse molaire et le volume molaire

La masse volumique est le rapport entre la masse molaire d'une solution et le volume molaire de la solution :

${\displaystyle \rho ={\frac {M}{\tilde {V}}}={\frac {\sum x_{i}M_{i}}{\sum x_{i}{\bar {V}}_{i}}}}$

Pour une solution avec deux composants on peut écrire :

${\displaystyle \rho ={\frac {x_{1}(M_{1}-M_{2})+M_{2}}{x_{1}({\bar {V}}_{1}-{\bar {V}}_{2})+{\bar {V}}_{2}}}}$

Masse volumique d'une particule matérielle

La masse volumique est une grandeur physique relative à une quantité de matière présente à l'intérieur d'un espace : c'est donc une grandeur physique moyenne.

En physique des milieux continus (mécanique des milieux continus, résistance des matériaux, mécanique des fluides, thermique, etc.), la masse volumique doit pouvoir être définie en tout point situé à l'intérieur d'un corps solide ou fluide.

Une particule matérielle est, précisément, à l'intérieur d'un corps, une quantité de matière dont la masse volumique est une fonction continue des coordonnées du point, en n'importe quel point que cette particule contient. La masse volumique d'une particule matérielle est donc une grandeur physique moyenne qui est, aussi, à l'échelle d'un corps, une grandeur physique ponctuelle.

Influences externes

La masse volumique peut être influencée par des paramètres externes. La pression et la température de mesure en sont la source, en particulier pour les gaz^[4]. L'augmentation de la pression sur un objet diminue son volume et augmente donc sa masse volumique. La variation avec la température est décrite par le coefficient de dilatation. Certains matériaux (dont le bois et certaines matières plastiques) pouvant absorber de l'eau, le taux d'humidité modifie aussi la masse volumique.

Tables des masses volumiques de diverses substances

Pour les matériaux poreux (argile, sable, sol, bois), les masses volumiques indiquées sont des masses volumiques apparentes. Sauf indications contraires, les masses volumiques sont données pour des corps à la température de 20 °C, sous la pression atmosphérique normale (1 013 hPa).

Roches, minéraux, matériaux usuels

Roches, minéraux, matériaux usuels	Masse volumique (kg/m3)
ardoise	2 700–2 800
amiante	2 500
argile	1 300–1 700
béton	2 200 (armé 2 500)
béton bitumineux dit enrobé	2 350
calcaire	2 000–2 800
compost	550 - 600[8],[9]
craie	1 700–2 100
diamant	3 517
granit	1 800 (altéré) – 2 500
granite	2 700
grès	1 600–1 900
kaolin	2 260
marbre	2 650–2 750
quartz	2 650
pierre ponce	910
porcelaine	2 500
sable	1 600 (sec) – 2 000 (saturé)
silicium	2 330
terre végétale	1 250
verre à vitres	2 530
coton	20 - 60

Métaux et alliages

Métaux et alliages	Masse volumique (kg/m3)
acier	7 500 - 8 100[10],[11]
acier rapide HSS	8 400 - 9 000
fonte	6 800 - 7 400
aluminium	2 700
argent	10 500
béryllium	1 848
bronze	8 400 - 9 200
carbone (diamant)	3 508
carbone (graphite)	2 250
constantan	8 910
cuivre	8 960[12]
duralium	2 900
étain	7 290
fer	7 860
iridium	22 560
laiton	7 300 - 8 800
lithium	530
magnésium	1 750
mercure	13 545
molybdène	10 200
nickel	8 900
or	19 300
osmium	22 610
palladium	12 000
platine	21 450
plomb	11 350
potassium	850
tantale	16 600
titane	4 500
tungstène	19 300
uranium	19 100
vanadium	6 100
zinc	7 150

Liquides

Liquides	Masse volumique (kg/m3)
acétone	790
acide acétique	1 049
azote liquide à −195 °C	810
brome à 0 °C	3 087
eau à 4 °C	1 000[13]
eau de mer	1 000–1 032[14]
essence	750
éthanol	789
éther	710
gazole	850
glycérine	1 260
hélium liquide à −269 °C	150
huile d'olive, huile de raisin, huile de sésame, et beaucoup d'autres huiles végétales	920
hydrogène liquide à −252 °C	70
oxygène liquide à −184 °C	1 140
lait	1 030
sang humain	1 056–1 066

Voir pour une liste de densité d'huiles (contient beaucoup d'huiles rares mais il manque plusieurs huiles très courantes telles que tournesol, colza, maïs, soya et arachide)

Gaz

Gaz à 0 °C	Formule	Masse volumique (kg/m3 ou g/l)
acétylène	C2H2	1,170
air	-	1,293
air à 20 °C	-	1,204
hexafluorure de soufre à 20 °C	SF6	6,164
ammoniac	NH3	0,77
argon	Ar	1,783
diazote	N2	1,250
isobutane	C4H10	2,670
butane (linéaire)	C4H10	2,700
dioxyde de carbone	CO2	1,804
vapeur d'eau à 100 °C	H2O	0,597
hélium	He	0,178
dihydrogène	H2	0,089
krypton	Kr	3,74
néon	Ne	0,90
monoxyde de carbone	CO	1,250
ozone	O3	2,14
propane	C3H8	2,01
radon	Rn	9,73

Matières plastiques, caoutchouc

Matières plastiques, caoutchouc	Masse volumique (kg/m3)
PP	850 - 920
PEBD	890 - 930
PEHD	940 - 980
ABS	1 040–1 060
PS[15]	1 040–1 060
nylon 6,6	1 120–1 160
PMA	1 160–1 200
PLA	1 250
PMMA, Plexiglas	1 180–1 190
PVC souple (plastifié)	1 190–1 350
Bakélite	1 350–1 400
PET	1 380–1 410
PVC rigide	1 380–1 410
caoutchouc	920–2 200

Bois

Le bois est une matière vivante dont la masse volumique varie selon plusieurs paramètres, principalement l'essence et l'humidité. Les bois dont la masse volumique dépasse 1 000 kg m⁻³ ne flottent pas.

Selon l'essence Bois Masse volumique (kg/m3) acajou 700 balsa 140 buis 910 - 1 320 cèdre 490 châtaignier 560 - 700 charme 700 - 850 chêne 610 - 980 chêne (cœur) 1 170 contreplaqué 440 - 880 ébène 1 150 frêne 840 hêtre 800 liège 240 peuplier 390 pin 500 platane 650 sapin 450 teck 860

Selon l'humidité Famille d'essence[16] Humidité sur masse brute (%) Masse volumique (kg/m3) bois tendres (résineux) 0 450 20 560 50 900 bois moyens 0 550 20 690 50 1 100 bois durs (feuillus) 0 650 20 810 50 1 300

Éléments

Masse volumique des éléments à l'état standard, à température et pression ambiantes, en g/cm³ (les éléments d'une densité supérieure à celle de l'osmium ou de l'iridium ont seulement une densité calculée/prédite et non mesurée effectivement, ces éléments radioactifs super-lourds ont été produits en quantité trop faible ou se désintègrent trop vite pour permettre une mesure) :

H

He

Li 0,534

Be 1,848

B 2,34

C 2

N

O

F

Ne

Na 0,971

Mg 1,738

Al 2,6989

Si 2,33

P 1,82

S 2,07

Cl

Ar

K 0,89

Ca 1,54

Sc 2,989

Ti 4,51

V 6

Cr 7,15

Mn 7,3

Fe 7,874

Co 8,9

Ni 8,902

Cu 8,96

Zn 7,134

Ga 5,904

Ge 5,323

As 5,72

Se 4,79

Br 3,12

Kr

Rb 1,532

Sr 2,64

Y 4,469

Zr 6,52

Nb 8,57

Mo 10,22

Tc 11,5

Ru 12,1

Rh 12,41

Pd 12,02

Ag 10,5

Cd 8,69

In 7,31

Sn 7,29

Sb 6,68

Te 6,23

I 4,93

Xe

Cs 1,87

Ba 3,62

*

Lu 9,841

Hf 13,31

Ta 16,4

W 19,3

Re 20,8

Os 22,587

Ir 22,562

Pt 21,45

Au 19,3

Hg 13,546

Tl 11,85

Pb 11,35

Bi 9,79

Po 9,2

At

Rn

Fr 1,87

Ra 5

**

Lr

Rf 23,2

Db 29,3

Sg 35

Bh 37,1

Hs 40,7

Mt 37,4

Ds 34,8

Rg 28,7

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

↓

*

La 6,145

Ce 6,77

Pr 6,773

Nd 7,008

Pm 7,264

Sm 7,52

Eu 5,244

Gd 7,901

Tb 8,23

Dy 8,551

Ho 8,795

Er 9,066

Tm 9,321

Yb 6,9

**

Ac 10,07

Th 11,72

Pa 15,37

U 19,1

Np 20,25

Pu 19,816

Am 12

Cm 13,51

Bk 13,25

Cf 15,1

Es 8,84

Fm

Md

No

Masse volumique des éléments à leur point de fusion en g/cm^3[17] :

H 0,071

He

Li 0,512

Be 1,69

B 2,08

C

N

O

F

Ne

Na 0,927

Mg 1,584

Al 2,375

Si 2,57

P

S 1,819

Cl

Ar

K 0,828

Ca 1,378

Sc 2,8

Ti 4,11

V 5,5

Cr 6,3

Mn 5,95

Fe 6,98

Co 7,75

Ni 7,81

Cu 8,02

Zn 6,57

Ga 6,08

Ge 5,6

As 5,22

Se 3,99

Br

Kr

Rb 1,46

Sr 6,98

Y 4,24

Zr 5,8

Nb

Mo 9,33

Tc

Ru 10,65

Rh 10,7

Pd 10,38

Ag 9,32

Cd 7,996

In 7,02

Sn 6,99

Sb 6,53

Te 5,7

I

Xe

Cs 1,843

Ba 3,338

*

Lu 9,3

Hf

Ta 15

W 17,6

Re 18,9

Os 20

Ir 19

Pt 19,77

Au 17,31

Hg

Tl 11,22

Pb 10,66

Bi 10,05

Po

At

Rn

Fr

Ra

**

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

↓

*

La 5,94

Ce 6,55

Pr 6,5

Nd 6,89

Pm

Sm 7,16

Eu 5,13

Gd 7,4

Tb 7,65

Dy 8,37

Ho 8,34

Er 8,86

Tm 8,56

Yb 6,21

**

Ac

Th

Pa

U 17,3

Np

Pu 16,63

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No