In het dagelijks gebruik verwijst het woord "dichtheid" meestal naar de staat van dichtheid, zoals in "het verkeer is" dicht," of "die persoon is te dicht om je te begrijpen." De definitie van dichtheid (D) in de wetenschap is veel meer specifiek. Het is de hoeveelheid massa (m) die een bepaald volume (v) inneemt. Wiskundig, D = m/v. Dichtheid is van toepassing op materie in vaste, vloeibare en gasvormige toestand, en - geen verrassing hier - vaste stoffen hebben een grotere dichtheid dan vloeistoffen (meestal) en vloeistoffen hebben een grotere dichtheid dan gassen.
Op microscopisch niveau is dichtheid een maat voor hoe dicht de atomen waaruit een bepaalde stof bestaat, zijn opeengepakt. Als twee objecten hetzelfde volume innemen, is de dichtere zwaarder omdat er meer atomen in dezelfde ruimte zijn samengepakt. Dichtheid wordt beïnvloed door temperatuur en wordt ook beïnvloed door omgevingsdruk, hoewel deze afhankelijkheden het meest uitgesproken zijn in de gasvormige toestand. Dichtheidsverschillen drijven de wereld; het leven zou niet hetzelfde zijn zonder hen.
De dichtheid van olie en water
Water heeft een dichtheid van 1 kilogram per kubieke meter. Als dat als toeval klinkt, is het dat niet. De metrische eenheden van massa zijn gebaseerd op de dichtheid van water. De meeste oliën hebben een lagere dichtheid dan water en daarom drijven ze. Telkens wanneer u twee vloeistoffen of gassen mengt, valt de dichtere naar de bodem van de container, zolang deze niet oplost en een oplossing vormt. De reden hiervoor is simpel. Zwaartekracht oefent een sterkere kracht uit op een dicht materiaal. Het feit dat olie niet oplost in water en blijft drijven, maakt opruimen mogelijk na een grote olieramp. Werknemers winnen de olie meestal terug door deze van het wateroppervlak af te schuimen.
De heliumballon is een toepassing van dichtheid in het echte leven
Blaas een ballon op met lucht uit je longen, en de ballon zal gelukkig op een tafel of stoel blijven zitten totdat iemand hem in de lucht gooit. Zelfs dan kan het een tijdje op luchtstromen drijven, maar uiteindelijk zal het op de grond vallen. Vul het echter met hetzelfde volume helium en je moet er een touwtje aan binden om te voorkomen dat het wegdrijft. Dat komt omdat, vergeleken met de zuurstof- en stikstofmoleculen in lucht, heliummoleculen erg licht zijn. In feite is helium ongeveer 10 keer minder dicht dan lucht. De ballon zou nog sneller wegdrijven als je hem zou vullen met waterstof, dat ongeveer 100 keer minder dicht is dan lucht, maar waterstofgas is zeer ontvlambaar. Daarom gebruiken ze het niet om ballonnen te vullen op kermissen.
Dichtheidsverschillen drijven lucht- en zeestromingen aan
Voeg warmte toe aan lucht en de moleculen vliegen rond met meer energie, waardoor er meer ruimte tussen hen ontstaat. Met andere woorden, de lucht wordt minder dicht en heeft dus de neiging om te stijgen. De temperatuur in de troposfeer wordt echter kouder met de hoogte, dus er is meer koude lucht op grotere hoogte en heeft de neiging om te dalen. De constante beweging van koude lucht die valt en warme lucht die stijgt, creëert luchtstromen en winden die het weer op de planeet aandrijven.
Temperatuurvariaties in de oceanen creëren ook dichtheidsverschillen die stromingen aandrijven, maar variaties in het zoutgehalte zijn net zo belangrijk. Zeewater is niet uniform zout, en hoe meer zout het bevat, hoe dichter het is. Variaties in temperatuur en zoutgehalte creëren dichtheidsverschillen die lokale wervelstromen veroorzaken als evenals diepe onderwaterrivieren die leefgebieden creëren voor zeedieren en die van invloed zijn op de klimaat.
Dichtheidsvoorbeelden in het laboratorium
Labonderzoekers zijn afhankelijk van dichtheidsverschillen om stoffen in vloeibare of vaste toestand te scheiden. Dat doen ze met een centrifuge, een apparaat dat een mengsel zo snel ronddraait dat er een kracht ontstaat die meerdere malen groter is dan de zwaartekracht. In de centrifuge ervaren de dichtste componenten van een mengsel de grootste kracht en migreren naar de buitenkant van het vat, van waaruit ze kunnen worden opgehaald.
Dichtheid kan ook worden gebruikt om materialen te identificeren die zijn gemaakt van onbekende verbindingen. De procedure is om de materialen te wegen en het volume te meten dat ze innemen, met behulp van waterverplaatsing of een andere methode. Je vindt dan de dichtheid van het materiaal, met behulp van de vergelijking D = m/v, en vergelijkt deze met de bekende dichtheden van veel voorkomende verbindingen die in referentietabellen worden vermeld.