Densidade

 Nota: Para outros significados, veja Densidade (desambiguação).

A densidade (também massa volúmica ou massa volumétrica) de um corpo define-se como o quociente entre a massa e o volume desse corpo.^[1][2] Desta forma pode-se dizer que a densidade mede o grau de concentração de massa em determinado volume. O símbolo para a densidade é ρ (a letra grega ró) e a unidade SI é quilograma por metro cúbico (kg/m³).

Líquidos com diferentes níveis de densidade.

No Brasil, a razão entre a massa e o volume de uma substância é conhecida como massa específica.^[3] Já a densidade é definida como a relação entre massas específicas de duas substâncias, sendo uma delas tomada como padrão (a água a 4 °C é geralmente utilizada como referência), sendo assim uma grandeza adimensional. Nesse caso, o símbolo adotado para densidade é a letra d.^[4]

Densidade relativa é a relação entre a densidade da substância em causa e a densidade da água a 4 °C.^[5] É uma grandeza adimensional, devido ao quociente.^[6] Quando se diz que um corpo tem uma densidade de 5, quer dizer que tem uma densidade 5 vezes superior à da água (no caso dos sólidos e líquidos).

Há uma pequena diferença entre densidade e massa específica. A massa específica, embora definida de forma análoga à densidade, contudo para um material e não um objeto, é propriedade de uma substância, e não de um objeto. Supõe-se pois que o material seja homogêneo e isotrópico ao longo de todo o volume considerado para o cálculo, e que seja maciço. Um objeto oco pode ter densidade muito diferente da massa específica do material que o compõe, a exemplo os navios. Embora a massa específica do aço seja maior que a massa específica da água, a densidade de um navio - assumido uma estrutura "fechada", é certamente menor do que a da água.

Para líquidos e gases, as expressões densidade e massa específica - dadas as propriedades físicas desses estados - acabam sendo utilizadas como sinônimos.

O gelo possui uma massa específica inferior à apresentada pela água em seu estado líquido (0,97 g/cm³), propriedade rara nos líquidos, que se explica pela polaridade da molécula da água e pelo aumento da distância média entre partículas no estado sólido. O mesmo ocorre geralmente com as substâncias que estabelecem ligações de hidrogênio, como os álcoois.

Gases

Para definir a densidade nos gases utiliza-se como massa de volume de referência o ar, que nas condições normais de temperatura e pressão (PTN) (temperatura de 0 °C e pressão atmosférica 101 325 Pa), corresponde a 760 milímetros de mercúrio.^[7]

No caso dos gases, sua massa de volume difere dos líquidos, e, por consequência dos sólidos. Nos gases, suas moléculas estão separadas devido à temperatura que está acima da temperatura de ebulição do líquido correspondente. Microscopicamente, isto corresponde dizer que nos gases a atração entre as moléculas e/ou átomos que os compõem não são suficientemente intensas frente à energia cinética desses mesmos constituintes para mantê-los próximos. Nos líquidos e nos sólidos, contudo, as moléculas e átomos estão muitíssimo próximas.

Tomando-se como exemplo hidrogênio gasoso, comparado à água, nas condições normais de temperatura e pressão, tem-se uma massa volúmica de 9 × 10⁻⁵ g/cm³, e a água é 11 000 vezes mais densa que o elemento.

Densidade e temperatura

Quando se aumenta a temperatura de um determinado fragmento de matéria, tem-se um aumento do seu volume, pois haverá a dilatação ocasionada pela separação dos átomos e moléculas, desde que o seu estado físico e a sua pressão sejam mantidas. Ao contrário, ao se diminuir a temperatura, tem-se uma diminuição desse volume.^[8] A quantidade de massa existente num dado volume é chamada de massa volúmica.

Quando a matéria se expande, a sua massa volúmica diminui, e quando a matéria se contrai, a sua massa volúmica aumenta. Com esse conceito, tem-se uma unidade de medida, que pode ser dada em gramas (g) por centímetro cúbico (cm³).

A massa volúmica depende da massa dos átomos ou moléculas individuais e do volume efetivo ocupado por eles, seja no sólido, no líquido ou no gás. Se uma dada substância, em qualquer estado físico, apresenta massa molecular cinco vezes maior que outra nas mesmas condições de temperatura e pressão, a massa volúmica da primeira será cinco vezes maior que a da segunda.

Determinando a densidade

A densidade de um corpo poderá ser determinada pela quantidade de massa que o corpo possui dividido pelo volume que esta massa ocupa. A densidade pode ser absoluta ou relativa. A densidade absoluta pode ser determinada pela expressão matemática:^[5]

${\displaystyle Densidade={\frac {Massa}{Volume}}}$

Outra forma:

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

Exemplo: Uma caixa com algodão cuja massa é de 200 g, ocupa o volume de 2 000 cm³. Sua densidade será:

${\displaystyle Densidade={\frac {200g}{2000cm^{3}}}=0,1g/cm^{3}}$

Note que se a unidade de massa é indicada em g (gramas) e o volume em cm³ (centímetros cúbicos), a densidade será indicada como g/cm³ (gramas por centímetros cúbicos).

Para a densidade relativa, esta é feita tendo em conta a densidade da água a 4 °C que é 1 g/cm³ e o quociente é adimensional:

${\displaystyle \rho _{r}={\frac {\rho }{\rho _{0}}}}$

onde ${\displaystyle \rho _{r}}$ é a densidade relativa, ${\displaystyle \rho }$ é a densidade da sustância e ${\displaystyle \rho _{0}}$ é a densidade de referência ou absoluta.

Densidade da água

Ver artigo principal: Densidade da água

Temperatura (°C)	Densidade (kg/m3)
100	958,4
80	971,8
60	983,2
40	992,2
30	995,61[9]
25	997,07[9]
22	997,80[9]
20	998,23[9]
15	999,13[9]
10	999,73[9]
4	1000[9]
0	999,87[9]
A densidade da água em quilogramas por metro cúbico (sistema SI) em várias temperaturas em graus Celsius. Os valores abaixo de 0 °C se referem a água em sobrefusão

Densidade do ar

Ver artigo principal: Densidade do ar

Densidade do ar em função da temperatura. A densidade varia de forma inversa à temperatura.

T em °C	densidade em kg/m3 (a 1 atm)
–10	1,342
–5	1,316
0	1,293
5	1,269
10	1,247
15	1,225
20	1,204
25	1,184
30	1,165

Densidade de materiais diversos

Material	em kg/m3	Notas
Meio interestelar	10−25 − 10−15	Considerando 90% H, 10% He; T variável
Atmosfera terrestre	1,2	No nível do mar
Aerogel	1 − 2
Cortiça	220 − 260[10]
Ar (padrão)	1,23[11]	a 0 °C e 1 atm
Ar	0,95[12]	a 100 °C e 1 atm
Ar	6,5[12]	a 0 °C e 50 atm
Água	1 000[11]	nas CPTP
Água do mar	1 030[13]
Gelo	920[12]
Plástico	850 − 1 400	para polipropileno e PET/PVC
Terra	5 520[12]	Densidade média
Cobre	8 920 − 8 960	na temperatura ambiente
Chumbo	11 340[14]
Tungstênio	19 250[14]
Ouro	19 330[15]	24 k (puro)
Ouro puro fundido	19 250[15]
O Núcleo interno da Terra	~13 000
Urânio	18 950[14]
Irídio	22 650[14]
Ósmio	22 610	na temperatura ambiente
O núcleo do Sol	160 000[12]
Núcleo atômico	~3 × 1017
Estrela de nêutrons	8,4 × 1016 − 1 × 1018
Gasolina	680[13]	Valor típico. Propriedades dos derivados de petróleo variam com a composição.
Álcool Etílico	789[13]
Mercúrio	13 600[13]
Glicerina	1 260[13]
Alumínio	2 700[12]
Platina	21 400[12]
Óleo SAE 30	912[13]	Valor típico. Propriedades dos derivados de petróleo variam com a composição
Tetracloreto de carbono	1 590[13]
Vácuo mais elevado obtido em laboratório	~10^-16[12]

Densidade de alguns Gases

Nome do Gás	(kg/m3)
Dióxido de Carbono	1,83[13]
Hélio	1,66 x 10-1[13]
Hidrogênio	8,38 x 10-2[13]
Metano (gás natural)	6,67 x 10-1[13]
Nitrogênio	1,16[13]
Oxigênio	1,33[13]

Densidade de misturas

A densidade de uma substância composta ou de uma mistura é a soma das densidades dos componentes desta mistura, calculada a partir das proporções (das concentrações), como por exemplo das percentagens em massa de cada um dos componentes. Os fenómenos de interações entre os átomos, as moléculas e íons nas misturas, podem afetar estes cálculos, como por exemplo, o que acontece com a mistura de etanol e água.

Fórmula:

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

onde:

${\displaystyle m_{i}}$: massa do elemento i na mistura,

V: volume da mistura,

${\displaystyle \rho _{i}}$: a concentração em massa do elemento i na mistura.

Outra expressão :

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

Ver também

• Densidade aparente
• Densímetro
• Dilatação térmica
• Massa
• Unidades de densidade
• Volume

Referências

1. Dicionário Michaelis
2. Dicionário Priberam
3. «Resolução do CONMETRO n° 12/88» (PDF)
4. Brasil, Nilo Indio do (2013). Introdução à Engenharia Química. Rio de Janeiro: Interciência. 448 páginas
5. Clark, John (1996). A Física. [S.l.]: Círculo de Leitores. p. 23. ISBN 972-42-1322-6
6. Clark, John (1996). A Física. [S.l.]: Círculo de Leitores. p. 150. ISBN 972-42-1322-6
7. Clark, John (1996). A Física. [S.l.]: Círculo de Leitores. p. 44. ISBN 972-42-1322-6
8. Clark, John (1996). A Física. [S.l.]: Círculo de Leitores. p. 31. ISBN 972-42-1322-6
9. «Densidade da água em diversas temperaturas». www.newtoncbraga.com.br. Consultado em 24 de junho de 2019
10. MadSci Network: Physics, Query: "Re: which is more bouyant styrofoam or cork", 30-03-2000, Posted By: John Link, Physics (página visitada 19-02-2013)
11. C. Potter, Merle (2004). Mecânica dos Fluidos. São Paulo: THOMSON. pp. 10 – 11
12. Halliday, David (1973). Física 1. Rio de Janeiro: Editora USP. pp. 480 – 482
13. Munson, Bruce (1997). Fundamentos da Mecânica dos Fuidos. São Paulo: AFILIADA. pp. 10 – 12
14. Montini (16 de dezembro de 2011). «O que pesa mais? 1 kg de algodão ou 1 kg de chumbo?». Instituto de Pesos e Medidas do Estado de São Paulo. Consultado em 23 de junho de 2019
15. «Densidade do Ouro (e meu Infográfico!)». Materiais. Consultado em 24 de junho de 2019

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