Densité et masse volumique

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Comment comparer correctement des substances différentes ? Comment mesurer la masse volumique ? Qu'est-ce que la densité ?

Comment comparer correctement des substances différentes ?

Une première façon de faire :

Comparer les masses d'un même volume de substances différentes. On essaye de trouver des objets solides de formes diverses qui ont le même volume (par exemple 75 cm3). Ils sont faits de substances différentes. On pèse chacun d'eux. On peut aussi mesurer 75 cm3 de différents liquides et les peser. La balance, à chaque fois, nous indique la masse.On peut alors les classer par ordre de masses croissantes. On peut dire que 75 cm3 de liège ont une masse plus petite que 75 cm3 d'eau, et que 75 cm3 d'eau ont une masse plus petite que 75 cm3 de plomb. On obtiendrait le même classement si on avait choisi pour toutes les substances un autre volume que 75 cm3. On pourrait aussi classer par ordre de masses décroissantes.
Les masses de volumes égaux de substances différentes ne sont pas égales.

Une deuxième façon de faire :

Comparer les volumes de masses égales de substances différentes. On prend par exemple 500 g de sucre, un morceau de fer de 500 g, on pèse 500 g d'eau, d'alcool, de mercure. On mesure le volume de chacune de ces masses : les volumes trouvés sont différents.
On peut classer les substances par ordre de volume croissant ou décroissant. On obtiendrait le même classement si on avait pris une autre masse que 500 g .
Les volumes de masses égales de substances différentes ne sont pas égaux.

Comment mesurer la masse volumique ?

Il suffit de mesurer n'importe quel volume de liquide, ou le volume de n'importe quel objet fait avec une substance solide, puis de trouver leur masse avec une balance. On divise ensuite le nombre qui mesure la masse par celui qui mesure le volume et l'on trouve la masse volumique.

La densité

Cas des solides et des liquides

Quelques observations :
Un glaçon flotte sur l'eau, un tronc d'arbre flotte sur la rivière. Au contraire une roche, un morceau de fer, une bille de plomb tombent au fond de l'eau. Celles qui coulent ont une masse volumique plus grande que la masse volumique de l'eau. Au contraire, les substances qui flottent ont une masse volumique plus petite que celle de l'eau.
Comparer la masse volumique d'une substance à celle de l'eau permet donc de faire des prévisions pour savoir si la substance flotte ou non.

Une notion pratique : la densité.

Par exemple, la masse volumique du plomb est 11300 kg/m3 et celle de l'eau 1000 kg/m3. La masse volumique du plomb est égale à
11,3 x 1000 kg/m3. Elle est 11,3 fois plus grande que celle de l'eau.
Si on divise le nombre qui mesure la masse volumique du plomb par le nombre qui mesure la masse volumique de l'eau, on trouve:
11300 /1000= 11,3. (Ce nombre est sans unité). On dit que la densité du plomb relative à l'eau est 11,3. Le plomb est beaucoup plus dense que l'eau. Un morceau de plomb mis dans l'eau coule.

Pour l'huile, la densité relative à l'eau est égale à 0,9. Elle est plus petite que 1. L'huile est moins dense que l'eau. Sa masse volumique est égale à 900 kg/m3, c'est-à-dire à 0,9 x 1000 kg/m3. De l'huile versée dans l'eau se place au-dessus de l'eau.

Cas des gaz

La masse volumique d'un gaz est toujours beaucoup plus petite que celle de l'eau. Donc on voit toujours les bulles d'un gaz non soluble dans l'eau monter vers la surface de l'eau. Il n'est donc pas intéressant de calculer la densité d'un gaz relative à l'eau. Il est plus intéressant de prévoir si un gaz va plutôt monter ou plutôt descendre dans l'air; pour cela, on considère sa densité relative à l'air.
Un gaz dont la masse volumique est plus petite que celle de l'air est moins dense que l'air. C'est le cas de l'hydrogène : il monte dans l'air.
Un gaz dont la masse volumique est plus grande que celle de l'air est plus dense que l'air. C'est le cas du dioxyde de carbone. Il s'accumule au ras du sol.
Rappelons que quand on chauffe de l'air, cet air monte car la densité de l'air diminue quand sa température augmente.

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