Dans le domaine de la physique générale, certaines notions-clés apparaissent indispensables pour établir les relations entre les grandeurs variables. Grâce à elles, il a été possible d'élaborer des formules utiles comme celles expliquant les phénomènes physiques et chimiques dont le champ magnétique en électricité. Parmi ces concepts-clés utilisés par les physiciens pour faire aboutir leurs recherches, il y a celui de la densité. Elle désigne le rapport de la masse volumique d'un corps à celle d'un autre corps considéré comme référence. Il s'agit en particulier ici de la notion de densité relative. Elle ne possède pas d'unité de mesure et est à distinguer de la densité d'une grandeur physique. Point sur l'essentiel à savoir pour comprendre et maîtriser la densité au bout des doigts.
La masse volumique d’un corps est une grandeur physique (ainsi qu'une substance) qui représente la masse de ce corps par rapport à son volume. Elle est l’inverse du volume massique qui n’est rien d’autre que le volume d’un corps par unité de masse. Cette grandeur physique peut également être désignée par les termes que sont : densité absolue, densité propre et même masse spécifique.
Généralement, la masse volumique est notée en lettre grecque. Il s’agit soit de la lettre ρ soit de la lettre µ. L’utilisation de ces deux notations dépend de chaque utilisateur. Il est recommandé d’opter pour la notation ρ.
Lorsque les conditions normales de température et de pression (CNTP) sont réunies, la masse volumique de l’eau (un corps de référence) est 1000 g/l.
La masse volumique et la densité sont deux concepts distincts. Cependant, il est parfois enregistré des cas de confusion. La masse volumique et la densité ne sont pas pour autant distinctes et divergentes, car étant tous deux des densités.
La masse volumique ou la densité absolue ρ d’un corps (liquide, solide ou gaz) représente le rapport de la masse par unité de volume V occupé par celui-ci.
La densité d’un corps solide, gaz ou liquide, quant à elle, est une grandeur algébrique obtenue par le rapport de la masse volumique de ce corps sur la masse volumique d’un corps de référence. Elle est sans unité de mesure. La densité d’un liquide ou d’un solide est déterminée en fonction de l’eau. Sa masse volumique égale 1000 g/l. La densité du gaz par contre est déterminée en se référant à l’air. Il s'agit dans ces deux cas de notion de densité relative. Par ailleurs, il est important de différencier le concept de densité d'un corps avec celui de densité d'une grandeur, utilisé notamment pour étudier la répartition spatiale d'une population.
La masse volumique est une grandeur physique strictement positive (ρ > 0). L’expression littérale générale pour calculer la masse volumique est celle impliquant la masse sur une unité de volume. Ce qui donne :
ρ = m/v
où : m est la masse du corps
v est le volume du corps.
Lorsque le corps n’est pas homogène, il est alors question de masse volumique moyenne notée ici ρM
ρM = m/v
où : m est la masse du corps considéré
v est le volume occupé par ce corps.
Par ailleurs, quand la masse ou/et le volume du corps sont méconnus, elle peut être obtenue par diverses méthodes. Ainsi :
ρ = m/v (1)
or m = n.M (2) où n désigne le nombre de môles du corps et M la masse molaire moléculaire.
(2) dans (1) donne :
ρ = n.M/v (3)
Par ailleurs, Cm = n/v (4)
De (3) et (4) on a :
ρ = Cm. M (5)
La masse volumique est une grandeur obtenue par le rapport masse/volume. Son unité de mesure est : kg/m³ ou g/cm³ ou g/l. Elle s’exprime également en kg/l ou en t/m³ ou toute autre unité de masse (t, kg, hg, dam, g, …) associée au volume (mètre cube, cm³, hl, dal, l, …)
La masse volumique met en jeu plusieurs paramètres de la physique. Elle permet de connaître la densité absolue d’un corps. Elle est également utilisée pour déterminer de nombreux paramètres. Parmi ces paramètres, il convient de citer la masse de l’élément et son volume.
La masse d’un élément peut-être obtenue au moyen de la masse volumique.
ρ = m/v(1) avec m ?
m = ρ.v avec n = Cm.v, on a v = n/Cm (2)
De (1) et (2) on a :
m = ρ.n/Cm (3)
À partir de la masse volumique, il est ainsi possible d’obtenir le volume de l’élément. En effet :
ρ = m/v (1) avec v ?
v = m/ρ avec m = n.M (2)
De (1) et (2) :
v = n.M/ρ (3)
La densité étant une valeur neutre (valeur sans unité de mesure), elle confronte deux grandeurs de même unité dans le but de les simplifier. Il s’agit du ratio de la masse volumique de l'objet concerné et de la masse volumique de référence. Cela nous permet d’obtenir la formule suivante :
d = dc/dr avec dc : la densité du corps et dr : la densité de référence.
Généralement, la densité de référence est celle de l’eau. Elle est prise égale à 1000 g/l dans les conditions normales de température et de pression. La formule devient alors :
d = dc/1000 avec dc en g/l et d sans unité.
Par ailleurs, lorsqu’il s’agit d’un gaz, la formule suivante est recommandée afin d’aboutir à un résultat conforme à la réalité des faits :
d = M/29 où M : masse molaire du gaz concerné.
La densité est une grandeur physique strictement supérieure à zéro. En utilisant la formule en rapport avec l’eau, deux cas de figure sont envisageables. Lorsque la densité de l’élément concerné est supérieure à 1, il est dit que celui-ci est plus dense que l’eau. Autrement dit, il a une masse volumique plus grande que celle de l’eau. Dans le cas où la densité calculée est inférieure à 1, il est conclu que l’élément concerné devient moins dense que l’eau. Ce qui induit donc une masse volumique inférieure à l’eau.
Pour conclure, la masse volumique est une grandeur physique qui renseigne sur la densité absolue. Grâce à la masse et au volume du corps considéré, il devient aisé d’obtenir sa masse volumique. Cependant, privé d’informations sur la masse et/ou le volume de l’élément, il reste possible d’aboutir à la détermination de la masse volumique. Ce processus fait intervenir aussi bien la concentration massique moléculaire Cm que la masse molaire moléculaire M. Vous pouvez à cet instant déterminer la masse ou/et le volume précédemment méconnus en vous servant de la masse volumique et d’autres paramètres.
La densité relative, quant à elle, est une grandeur sans unité qui permet de confronter la densité de l’élément considéré avec une densité de référence (ici l’eau). Lorsque cette densité relative est supérieure à 1, vous êtes en présence d’un corps plus lourd que l’eau. La conclusion inverse est tirée, car la densité relative de l’élément semble inférieure à 1. Notion essentielle en physique générale, la densité intervient dans d'autres aspects, par exemple : le calcul du champ magnétique créé par une distribution de courant électrique.