Dans l'usage quotidien, le mot "densité" fait généralement référence à l'état d'être dense, comme dans "le trafic est dense" ou "cette personne est trop dense pour vous comprendre." La définition de la densité (D) en science est beaucoup plus spécifique. C'est la quantité de masse (m) qui occupe un volume spécifique (v). Mathématiquement, D = m/v. La densité s'applique à la matière à l'état solide, liquide et gazeux, et - sans surprise ici - les solides sont plus denses que les liquides (généralement), et les liquides sont plus denses que les gaz.
Au niveau microscopique, la densité est une mesure de la proximité des atomes qui composent une substance particulière. Si deux objets occupent le même volume, le plus dense est plus lourd car plus d'atomes sont regroupés dans le même espace. La densité est affectée par la température, et elle est également affectée par la pression ambiante, bien que ces dépendances soient plus prononcées à l'état gazeux. Les différences de densité dirigent le monde; la vie ne serait pas la même sans eux.
La densité de l'huile et de l'eau
L'eau a une densité de 1 kilogramme par mètre cube. Si cela ressemble à une coïncidence, ce n'est pas le cas. Les unités métriques de masse sont basées sur la densité de l'eau. La plupart des huiles sont moins denses que l'eau, et c'est pourquoi elles flottent. Chaque fois que vous mélangez deux liquides ou gaz, le plus dense tombe au fond du récipient, tant qu'il ne se dissout pas et ne forme pas une solution. La raison en est simple. La gravité exerce une force plus forte sur un matériau dense. Le fait que le pétrole ne se dissolve pas dans l'eau et qu'il flotte rend les nettoyages possibles après un grand déversement de pétrole. Les ouvriers récupèrent généralement le pétrole en l'écumant à la surface de l'eau.
Le ballon d'hélium est une application de la densité dans la vie réelle
Gonflez un ballon avec l'air de vos poumons, et le ballon reposera joyeusement sur une table ou une chaise jusqu'à ce que quelqu'un le jette en l'air. Même alors, il peut flotter sur les courants d'air pendant un certain temps, mais il finira par tomber au sol. Remplissez-le avec le même volume d'hélium, et vous devez attacher une ficelle dessus pour l'empêcher de flotter. C'est parce que, comparées aux molécules d'oxygène et d'azote dans l'air, les molécules d'hélium sont très légères. En effet, l'hélium est environ 10 fois moins dense que l'air. Le ballon s'envolerait encore plus vite si vous le remplissiez d'hydrogène, qui est plutôt 100 fois moins dense que l'air, mais l'hydrogène gazeux est hautement inflammable. C'est pourquoi ils ne l'utilisent pas pour remplir des ballons dans les carnavals.
Les différences de densité entraînent les courants atmosphériques et océaniques
Ajoutez de la chaleur à l'air et les molécules volent avec plus d'énergie, créant ainsi plus d'espace entre elles. En d'autres termes, l'air devient moins dense, il a donc tendance à s'élever. Cependant, la température dans la troposphère se refroidit avec l'altitude, il y a donc plus d'air froid à des altitudes plus élevées, et il a tendance à baisser. Le mouvement constant de l'air froid qui tombe et de l'air chaud qui monte crée des courants d'air et des vents qui déterminent les conditions météorologiques sur la planète.
Les variations de température dans les océans créent également des différences de densité qui entraînent les courants, mais les variations de salinité sont tout aussi importantes. L'eau de mer n'est pas uniformément saline, et plus elle contient de sel, plus elle est dense. Les variations de température et de salinité créent des différences de densité qui entraînent des courants de Foucault locaux comme ainsi que des rivières sous-marines profondes qui créent des habitats pour les créatures marines et affectent le monde climat.
Exemples de densité en laboratoire
Les chercheurs en laboratoire dépendent des différences de densité pour séparer les substances à l'état liquide ou solide. Ils le font avec une centrifugeuse, qui est un appareil qui fait tourner un mélange si rapidement qu'il crée une force plusieurs fois plus grande que la force de gravité. Dans la centrifugeuse, les composants les plus denses d'un mélange subissent la plus grande force et migrent vers l'extérieur du récipient, d'où ils peuvent être récupérés.
La densité peut également être utilisée pour identifier les matériaux fabriqués à partir de composés inconnus. La procédure consiste à peser les matériaux et à mesurer le volume qu'ils occupent, en utilisant le déplacement d'eau ou une autre méthode. Vous trouvez ensuite la densité du matériau, à l'aide de l'équation D = m/v, et la comparez aux densités connues des composés courants répertoriés dans les tableaux de référence.