2018 05 densite plume plomb
Un kilo est un kilo !
Mais préférez recevoir sur le pied plutôt un kilo de plumes ou un kilo de plomb ?
A bien réfléchir... aucun !
Cela nous empêcherait de réfléchir à ce qui change entre ces deux "kilos" : leur densité !

 

 

Une question de volume occupé

Il faut un grand sac de plumes et un petit bout de plomb pour en faire un kilo de chaque.
Dis autrement : si on prend une boîte, on mettra dedans du plomb beaucoup plus "tassé" que si on y met des plumes.

2018 05 densite wood 3152940 pixabay 2018 05 densite desktop 3207338 pixabay
Un peu comme ces personnages de bois posés sur une table : si on laisse plus d'espace entre eux, on en met finalement moins sur la même table !

 


U2018 05 densite letters 1500992 pixabayn autre exemple pour "sentir" cette différence est que si on remplit une corbeille à papier, on arrive à y mettre bien moins de feuilles de papier si elles sont froissées que si elles sont restées bien plates car une feuille de papier chiffonnée "emprisonne" de l'air qui, lui, est très léger !

Cette différence de "volume occupé" entre deux objets peut avoir plusieurs raisons.

Leur forme peut "emprisonner" plus ou moins d'air, comme notre papier froissé ou pas, et donc s'empiler moins facilement.

gazsolideMais une différence du même type - invisible à l'oeil nu - existe au niveau des atomes eux-mêmes dans les solides : les atomes se placent les uns par rapport aux autres en laissant plus ou moins de place entre eux, comme nos petits personnages de bois. Et s'ils arrivent à moins s'approcher les uns des autres, ils prendront plus de place !

Cela explique par exemple la différence de place qu'occupe le carbone sous deux formes différentes : 1 gramme de diamant prend beaucoup moins de place que 1 gramme de charbon.
Pourtant, tous deux sont faits de pur carbone ! Mais les atomes de carbone sont bien plus tassés - parce qu'ils sont mieux "rangés" - dans du diamant que dans du charbon.
Et c'est aussi à cause de cette "efficacité de rangement" que 1 kg d'oxygène liquide prend beaucoup moins de place que 1 kg d'oxygène gazeux : dans les liquides, les atomes sont beaucoup plus proches les uns des autres !

2018 05 densite atom nucleus 153152 pixabayA cela s'ajoute une différence encore plus microscopique : le noyau atomique est différent entre deux éléments chimiques, or le noyau est le principal responsable de la masse des atomes. Même s'ils se "tassent" de la même façon dans un volume donné, la masse totale des atomes qui ont plus de protons et de nucléons dans leur noyau sera plus grande que celle des atomes qui ont moins de protons et de nucléons dans leur noyau.

L'ensemble de ces différences se traduit concrètement par la notion de masse volumique :

La masse volumique est la masse (en kg) occupée par un mètre cube d'un matériau :
 ρ = m / V

Elle est exprimée en kg / m3
Elle est notée ρ (la lettre grecque r prononcéerho)
ou plus rarement μ (la lettre grecque m prononcéemu).

attentionAttention : la masse volumique dépend des conditions dans lesquelles est placé un matériau :

  • un gaz se dilate beaucoup quand la température augmente ou que la pression baisse,
  • un liquide est moins sensible à la pression mais reste sensible à la température,
  • un métal n'est pas du tout sensible à la pression mais reste (assez faiblement) sensible à la pression.

Quand on indique un chiffre pour une masse volumique, c'est donc toujours en précisant la température et la pression !


La masse volumique détermine beaucoup de comportements

La masse volumique est ce qui "dirige" un comportement physique dans de nombreuses situations.

Un objet se place dans un liquide ou un gaz selon leurs masses volumiques
Si on place dans liquide ou du gaz de masse volumique ρliquide ou gaz un objet de masse volumique ρ :

  • l'objet monte si ρ < ρliquide ou gaz
  • l'objet "nage" (sans monter ni descendre) si ρ = ρliquide ou gaz
  • l'objet descend si ρ > ρliquide ou gaz

C'est donc la comparaison entre masses volumiques qui détermine comment un objet foltte dans un liquide ou est porté par un gaz. Cette comparaison explique par exemple comment se comportent les ampoules dans un thermomètre de  thermomètre de Galilée,  ou pourquoi une montgolfière s'envole.

 

2018 05 densite vinaigrette Deux liquides qui ne se mélangent pas, flottent l'un sur l'autre, selon leurs masses volumiques

Dans une vinaigrette, l'huile se place au dessus du vinaigre parce que la masse volumique du vinaigre est plus grande que celle de l'huile :
ρ huile < ρ vinaigre

Et les petites herbes qui sont dedans ?
Manifestement, certaines ont une plus grande masse volumique que l'huile et le vinaigre : elles sont au fond !
D'autres flottent entre les deux (elles ont donc une masse volumique entre celle du vinaigre et celle de l'huile)... et quelques unes flottent pès de la surface, signe qu'elles ont une masse volumique faible.
Mais ça pourrait changer : des herbes qui "absorbent" un liquide augmentent leur densité... et finissent par couler !

Remarque : si deux liquides se mélangent, la masse volumique du mélange dépend du volume de chacun des liquides que l'on a mis dans le mélange et des masses volumiques des liquides :
 ρ mélange = (V 1 x ρ 1 + V 2 x ρ 2) / V mélange

 

 Densité

On appelle de plus en plus, simplement, "densité" la masse volumique d'un matériau...
Mais attention, c'est une abréviation et le mot "densité" est un peu traître !

La masse volumique se dit aussi "densité volumique de masse", ce qui est souvent raccourci en "densité" (mais la notation ρ et l'unité restent : ce sont des kg par mètres cubes).

La densité est au départ une notion qui compare la masse volumique d'un matériau à une masse volumique de référence :
d = ρ  / ρ référence
Et on appelle cette comparaison (qui n'a pas d'unité puisqu'on divise deux grandeurs équivalentes, toutes deux en kg par mètres cubes) : densité ou densité relative

  • Pour un liquide, on utilise l'eau comme référence : ρ référence = ρ eau
    (la masse volumique de l'eau donc 1 000 kg / m 3) :
    d = ρ  / ρ eau
  • Pour un gaz, on utilise l'air comme référence : ρ référence = ρ air
    (la masse volumique de l'air à 0 °C à la pression atmosphérique donc 1,293 49 kg / m 3 ) :
    d = ρ  / ρ air
  • Mais en fait, on peut, dans un cas précis, calculer une densité relative en prenant tout simplement la masse volumique du liquide ou du gaz qui nous intéresse dans ce cas...
    (en faisant bien attention à être aux mêmes conditions de température et de pression pour les gaz parce que leur masse volumique change beaucoup avec ces paramètres !)

L'utilisation du mot "densité" peut donc recouvrir deux notions différentes !
Pour savoir de quoi on parle, quand on vous donne la "densité" d'un matériau, il faut donc bien regarder en quelle unité c'est donné !


 Quelques valeurs de masse volumique et de densité !

 Accès direct : solides - liquides - gaz


Les solides classés selon leur masse volumique

L'astérisque (*) indique une valeur moyenne : la masse volumique dépend des proportions des métaux dans un alliage, la masse volumique du bois dépend de son âge et de la façon dont il a poussé,...
L'eau est - évidemment - un liquide à température ambiante : elle est ajoutée là pour comparaison :
les solides en vert sont moins dense que l'eau liquide : ils y flottent
les matériaux en rouge sont plus denses que l'eau liquide (ils y coulent)
Le mercure (Hg) est un métal liquide à température ambiante, il est là pour souligner qu'un métal peut être liquide... mais très dense quand même !

Solides masse volumique
(kg/m3)
coton   40
balsa bois très léger 140
liège bois léger dont on fait les bouchons de vin par exemple 240
Pin ou sapin   450
Lithium (Li) métal particulièrement léger (que l’on utilise dans les batteries de voiture électrique par exemple) 530
Contreplaqué * (entre 440 et 880) Planches de bois faites de poussières de bois engluées dans de la colle 660
acajou Bois africain rouge 700
Chêne * (entre 610 et 980)   800
potassium (K)   850
teck bois exotique 860
pierre ponce pierre d’origine volcanique 910
eau
c’est un liquide à température ambiante... elle est dans le tableau comme référence 1000
ébène bois africain très sombre 1150
Plexiglas * plastique transparent très rigide 1180
PVC souple *   1200
PET Plastique servant aux bouteilles d’eau et de soda 1400
PVC rigide * Plastique dur dont on fait les encadrements de fenêtre par exemple 1400
sable sec   1600
Grès * Pierre composées de sables agglomérés qui ont beaucoup servi pour les cathédrales par exemple 1700
magnésium (Mg) métal solide à température ambiante 1750
béryllium (Be) métal solide à température ambiante 1848
Craie *   1850
sable saturé (plein d’eau)   2000
béton   2200
carbone C (graphite) charbon 2250
porcelaine   2500
verre à vitres   2530
quartz   2650
marbre Pierre très compacte (on en fait panneaux de marbre poli pour recouvrir des murs ou comme plans de travail) 2700
aluminium (Al) métal solide à température ambiante 2700
Carbone C (diamant)   3508
titane (Ti) métal solide à température ambiante 4500
zinc (Zn) métal servant pour les goutières par exemple 7150
Fonte * (alliage) 7200
étain (Sn) métal solide à température ambiante 7290
fer (Fe) métal solide à température ambiante 7860
Laiton * (alliage) 8000
Acier * (alliage) 8000
Bronze * (alliage) 8800
nickel (Ni) métal solide à température ambiante 8900
cuivre (Cu) métal solide à température ambiante 8920
argent (Ag) métal solide à température ambiante 10500
plomb (Pb) métal solide à température ambiante 11350
Mercure (Hg) métal liquide à température ambiante 13545
or (Au) métal solide à température ambiante 19300
platine (Pt) métal solide à température ambiante 21450
iridium (Ir) métal solide à température ambiante 22560
osmium (Os) métal solide à température ambiante et le plus dense des métaux 22610

Plusieurs phénomènes que vous connaissez s'expliquent avec ce tableau :

  • la plupart des métaux coulent dans l'eau... mais ce n'est pas vrai pour le lithium qui est un métal extrêmement léger !
  • la plupart des bois flottent... mais ce n'est pas vrai pour tous : l'ébène coule !
  • quand un matériau est poreux, il peut s'imbiber d'eau et changer beaucoup sa masse volumique, comme le sable
  • le plomb, que l'on prend souvent en référence pour dire que quelque chose est très lourd... est en fait bien moins dense que d'autres métaux comme lel'or, le platine... ou l'osmium, le recordman avec plus 22 kg pour un volume équivalent à une brique de lait !

Les gaz classés par rapport à leur densité relative par rapport à l'air

Lâchés dans de l'air, les gaz en vert auront tendance à "s'envoler" et les gaz en rouge auront tendance à flotter près du sol

Gaz composition masse volumique
(kg/m3)
densité relative
Par rapport à l’air
dihydrogène H2 0,090 0,07
hélium He 0,179 0,14
vapeur d'eau à 100 °C H2O 0,598 0,46
ammoniac NH3 0,770 0,60
air à 20 °C Mélange de plusieurs gaz
(oxygène, azote,...)
1,204 0,93
diazote N2 1,251 0,97
monoxyde de carbone CO 1,250 0,97
air à 0°C Mélange de plusieurs gaz
(oxygène, azote,...)
1,293 1,00
argon Ar 1,783 1,38
dioxyde de carbone CO2 1,804 1,40
propane C3H8 2,010 1,55
ozone O3 2,140 1,66

 Plusieurs phénomènes que vous connaissez s'expliquent avec ce tableau :

  • la vapeur d'eau qui s'échappe d'une casserole bouillante (à 100°C au moment où elle s'évapore) est moins dense que l'air de la cuisine (à 20°C) : la vapeur d'eau monte au dessus de la casserole (mais ensuite, en se refroidissant, elle va se disperser dans la cuisine)
  • pas étonnant de devoir tenir les ballons gonflés à l'hélium avec une ficelle pour qu'ils ne prennent pas la poudre d'escampette vers le ciel : l'hélium est 7 fois moins dense que l'air !
  • un incendie produit deux sortes de gaz : du monoxyde de carbone (CO) qui a tendance à flotter dans la pièce et du dioxyde de carbone (CO2) qui flotte près du sol... et là problème !
    Car une combustion produit assez peu de monoxyde de carbone (mais il est mortel !) et beaucoup de dioxyde de carbone : en se plaçant près de sol, on se protège du redoutable CO ... mais on suffoque parce que le CO2 y remplace l'air (donc nous prive d'oxygène).
    2018 05 densite incendie Néanmoins, ces gaz sont très chauds quand ils sont produits par l'incendie, leur densité est donc - en tenant compte de leur température à quelques centaines de degrés - plus faibles que celle de l'air. On conseille donc de s'enfuir si on peut... mais dans tous les cas de se placer le plus près possible du sol : c'est là que l'air pur à 20°C se trouve !

 

Quelques liquides classés selon leur densité relative par rapport à l'eau à 4°C

 (lâchés dans de l'eau - délicatement pour qu'ils ne se mélangent pas à l'eau - les liquides en vert auront tendance à flotter au dessus de l'eau et les liquides en rouge auront tendance à se placer en dessous de l'eau, près du fond

Liquides masse volumique
(kg/m3)
densité relative
par rapport à l’eau
hydrogène liquide à −252 °C 70 0,070
hélium liquide à −269 °C 150 0,150
éther 710 0,710
essence 750 0,750
acétone 790 0,790
éthanol 789 0,789
azote liquide à −195 °C 810 0,810
gazole 850 0,850
huile d'olive 920 0,920
eau à 4 °C 1000,08 1,000
eau de mer (peu salée) 1030 1,030
lait 1030 1,030
acide acétique 1049 1,049
sang humain (en moyenne) 1060 1,060
oxygène liquide à −184 °C 1140 1,140
eau de la Mer Morte (très salée) 1240 1,240
glycérine 1260 1,260
brome à 0 °C 3087 3,087
mercure (Hg) 13545 13,545

Plusieurs phénomènes que vous connaissez s'expliquent avec ce tableau :

  • dans une flaque d'eau ou en mer, essence et pétrole échappés d'un bateau (d = 0,750) flottent à la surface
  • dans une vinaigrette, l'huile (d = 0,92) flotte au dessus du vinaigre (qui a grosso modo la même masse volumique que de l'eau)
  • 2018 05 densite obelix mer morte tout flotte mieux dans de l'eau de mer très salée que dans de l'eau pure.
    Et l'eau de la Mer Morte contient même tellement de sel que non seulement aucun être vivant n'y survit (d'où son nom) mais vous ne pouvez même pas y nager : sa densité est plus forte que celle du corps humain !

 

Auteur du site

id_vero_2008_50x59.jpgVéronique Parasote
Docteur en physique
Journaliste scientifique

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