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Densidad

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Densidad

En Física el término densidad (\rho\,\!) es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos absolutos o relativos. En términos sencillos, un objeto pequeño y pesado, como una piedra o un trozo de plomo, es más denso que un objeto grande y liviano, como un corcho o un poco de espuma.

Densidad absoluta

La densidad absoluta o densidad normal, también llamada densidad real, expresa la masa por unidad de volumen. Cuando no se hace ninguna aclaración al respecto, el término «densidad» suele entenderse en el sentido de densidad absoluta. La densidad es una propiedad intensiva de la materia producto de dos propiedades extensivas e intensivas.

Densidad = \frac {Masa}{Volumen}

Densidad relativa

Artículo con mayor desarrollo: Densidad relativa

La densidad relativa o aparente expresa la Relación entre la densidad de una Sustancia y la densidad del agua, resultando una Magnitud adimensional. La densidad del agua tiene un valor de 1 kg/l —a las condiciones de 1 atm y 4 °C— equivalente a 1000 kg/m3. Aunque la unidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es kg/m3, también es costumbre expresar la densidad de los líquidos en g/cm3.

Unidades de densidad

Unidades de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI) son:

Unidades fuera del SI:

  • En gases suele usarse como Gramo por decímetro cúbico (g/dm³) (Usado así para poder simplificar con la constante universal R = 0.082 atm * dm³ / K mol)
  • kilogramo por litro (kg/L). El agua generalmente tiene una densidad alrededor de 1 kg/L, haciendo de esta una unidad conveniente.
  • Gramo por mililitro (g/mL), que esquivale a (g/cm³).

También hay equivalencias numéricas de kg/L (1 kg/L = 1 g/cm³ = 1 g/mL).

Otras unidades usadas en el Sistema Anglosajón de Unidades son:

  • onza por pulgada cúbica (oz/in3)
  • libra por pulgada cúbica (lb/in3)
  • libra por pie cúbico (lb/ft3)
  • libra por Yarda cúbica (lb/yd3)
  • libra por Galón (lb/gal)
  • libra por bushel americano (lb/bu)
  • Slug por pie cúbico.

Densidad media y puntual

Para un material homogéneo, la fórmula masa/volumen puede aplicarse sin reparos. En el caso de un objeto no homogéneo, en cambio, dicha fórmula tiene el problema de que las densidades de las distintas partes son diferentes. En este caso, se puede medir la "densidad media", aplicando la fórmula masa/volumen a todo el objeto, o la "densidad puntual" que será distinta en cada punto del objeto. En esta variante, la fórmula se aplica a cada porción del objeto que sea homogénea (a cada fase).

Por ejemplo, un vaso con agua es un objeto con dos partes. Si uno considera la densidad en cada punto, ésta es distinta para el agua y para el vidrio. La densidad media, en cambio, es una sola para todo el objeto, y resultará intermedia entre la densidad del agua y la del vidrio. La densidad media de un material no es una propiedad intrínseca y depende de la forma en la que el material haya sido tratado: si está en granos o en polvo ocupará más espacio que si está en forma compacta.

Medición de densidad

Picnómetro

Si se aplican las fórmulas de la sección anterior, la densidad se puede medir en forma indirecta; se miden la masa y el volumen por separado, y luego se calcula la densidad. La masa se mide habitualmente con una Balanza, mientras que el volumen puede medirse determinando la forma del objeto y midiendo las longitudes apropiadas, o mediante el desplazamiento de un líquido, entre otros métodos.

Un instrumento muy común para medir en forma directa la densidad de un líquido es el Densímetro. Un instrumento menos común es el Picnómetro, y en el caso de gases, el picnómetro de gas. Otra posibilidad para determinar las densidades de líquidos y gases es utilizar un instrumento digital basado en el principio del tubo en U oscilante[cita requerida].

Cambios de densidad

En general, la densidad de un material varía al cambiar la presión o la temperatura. Se puede demostrar[cita requerida], utilizando la termodinámica que al aumentar la presión debe aumentar la densidad de cualquier material estable. En cambio, si bien al aumentar la temperatura usualmente decrece la densidad de los materiales, hay excepciones notables. Por ejemplo, la densidad del agua líquida crece entre el punto de fusión (a 0 °C) y los 4 °C y lo mismo ocurre con el silicio a bajas temperaturas[cita requerida].

El efecto de la temperatura y la presión en los sólidos y líquidos es muy pequeño, por lo que típicamente la compresibilidad de un líquido o sólido es de 10−6 bar−1 (1 bar=0.1 MPa) y el coeficiente de dilatación térmica es de 10−5 K−1.

Por otro lado, la densidad de los gases es fuertemente afectada por la presión y la temperatura. La Ley de los gases ideales describe matemáticamente la relación entre estas tres magnitudes:

\rho = \frac {mP}{RT}

donde R es la Constante universal de los gases ideales, P es la presión del gas, m su Masa molar, y T la temperatura absoluta.

Eso significa que un gas ideal a 300 K (27 °C) y 1 bar duplicará su densidad si se aumenta la presión a 2 bar o, alternativamente, se reduce su temperatura a 150 K.

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