Nell'uso quotidiano, la parola "densità" di solito si riferisce allo stato di essere denso, come in "il traffico è denso" o "quella persona è troppo densa per capirti." La definizione di densità (D) nella scienza è molto di più specifica. È la quantità di massa (m) che occupa un volume specifico (v). Matematicamente, D = m/v. La densità si applica alla materia allo stato solido, liquido e gassoso e, nessuna sorpresa qui, i solidi sono più densi dei liquidi (di solito) e i liquidi sono più densi dei gas.
A livello microscopico, la densità è una misura di quanto sono ravvicinati gli atomi che compongono una particolare sostanza. Se due oggetti occupano lo stesso volume, quello più denso è più pesante perché più atomi sono ammassati insieme nello stesso spazio. La densità è influenzata dalla temperatura ed è anche influenzata dalla pressione ambientale, sebbene queste dipendenze siano più pronunciate allo stato gassoso. Le differenze di densità guidano il mondo; la vita non sarebbe la stessa senza di loro.
La densità di olio e acqua
L'acqua ha una densità di 1 chilogrammo per metro cubo. Se suona come una coincidenza, non lo è. Le unità metriche di massa si basano sulla densità dell'acqua. La maggior parte degli oli sono meno densi dell'acqua ed è per questo che galleggiano. Ogni volta che mescoli due liquidi o gas, quello più denso cade sul fondo del contenitore, purché non si dissolva e formi una soluzione. La ragione di ciò è semplice. La gravità esercita una forza maggiore su un materiale denso. Il fatto che l'olio non si dissolva in acqua e che galleggi rende possibile la pulizia dopo una grande fuoriuscita di petrolio. I lavoratori di solito recuperano l'olio schiumandolo dalla superficie dell'acqua.
Il pallone ad elio è un'applicazione della densità nella vita reale
Gonfia un palloncino con l'aria dei tuoi polmoni e il palloncino siederà felicemente su un tavolo o una sedia finché qualcuno non lo getterà in aria. Anche allora, potrebbe galleggiare sulle correnti d'aria per un po', ma alla fine cadrà a terra. Riempilo con lo stesso volume di elio, però, e devi legarci sopra una corda per impedirgli di fluttuare via. Questo perché, rispetto alle molecole di ossigeno e azoto nell'aria, le molecole di elio sono molto leggere. In effetti, l'elio è circa 10 volte meno denso dell'aria. Il pallone galleggerebbe ancora più velocemente se lo riempissi di idrogeno, che è circa 100 volte meno denso dell'aria, ma l'idrogeno è altamente infiammabile. Ecco perché non lo usano per riempire i palloncini ai carnevali.
Le differenze di densità guidano le correnti d'aria e oceaniche
Aggiungi calore all'aria e le molecole volano in giro con più energia, creando più spazio tra di loro. In altre parole, l'aria diventa meno densa, quindi tende a salire. Tuttavia, la temperatura nella troposfera diventa più fredda con l'altitudine, quindi c'è più aria fredda ad altitudini più elevate e ha la tendenza a scendere. Il movimento costante dell'aria fredda che cade e dell'aria calda che sale crea correnti d'aria e venti che guidano il clima sul pianeta.
Anche le variazioni di temperatura negli oceani creano differenze di densità che guidano le correnti, ma le variazioni di salinità sono altrettanto importanti. L'acqua di mare non è uniformemente salina e più sale contiene, più è densa. Le variazioni di temperatura e salinità creano differenze di densità che guidano le correnti parassite locali come così come profondi fiumi sottomarini che creano habitat per le creature marine e influenzano il mondo clima.
Esempi di densità in laboratorio
I ricercatori di laboratorio dipendono dalle differenze di densità per separare le sostanze allo stato liquido o solido. Lo fanno con una centrifuga, che è un dispositivo che fa girare una miscela così velocemente da creare una forza che è molte volte più grande della forza di gravità. Nella centrifuga, i componenti più densi di una miscela subiscono la forza maggiore e migrano verso l'esterno del recipiente, da dove possono essere recuperati.
La densità può essere utilizzata anche per identificare materiali costituiti da composti sconosciuti. La procedura consiste nel pesare i materiali e misurare il volume che occupano, utilizzando lo spostamento dell'acqua o qualche altro metodo. Si trova quindi la densità del materiale, utilizzando l'equazione D = m/v, e la si confronta con le densità note dei composti comuni elencati nelle tabelle di riferimento.