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.

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 !

Un 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.

Mais 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 !

A 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).

Attention : 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 ρ_{liquide ou gaz} un objet de masse volumique ρ :

• l'objet monte si ρ < ρ_{liquide ou gaz}
• l'objet "nage" (sans monter ni descendre) si ρ = ρ_{liquide ou gaz}
• l'objet descend si ρ > ρ_{liquide 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.

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 !

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

 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).
  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

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)
• 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 !