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Densidade

A densidade é uma propriedade intensiva e específica dos materiais que é calculada pela relação entre a massa e o volume.

Por: Jennifer Rocha Vargas Fogaça Termômetro de Galileu mostra que a densidade depende da temperatura

Termômetro de Galileu mostra que a densidade depende da temperatura

A densidade é uma grandeza que relaciona a massa dos materiais e o volume que eles ocupam. Matematicamente, ela pode ser calculada para sólidos, líquidos e gases através da seguinte fórmula:

densidade = massa ou d = m 
                   
volume           V

A unidade de densidade adotada pelo SI (Sistema Internacional de Unidades) é o quilograma por metro cúbico (kg/m3). Mas, geralmente, quando se menciona a densidade de líquidos e sólidos, usa-se g/cm3 ou g/mL, sendo que cm3 = mL. Para gases, usa-se mais a unidade g/L.

Observe pela fórmula acima que a densidade dos materiais é inversamente proporcional ao volume, e o volume, por sua vez, é uma grandeza que varia com a temperatura e a pressão. Portanto, se aumentarmos a temperatura, as partículas ou moléculas constituintes da substância irão se expandir, aumentando o volume e, consequentemente, diminuindo a densidade. O contrário também é verdadeiro, o que nos leva a concluir que a densidade é inversamente proporcional à temperatura, isto é, com o aumento da temperatura, a densidade diminui e, diminuindo a temperatura, a densidade aumenta.

Esse é o princípio que permite que os balões a ar quente subam, pois, aquecendo-se o ar dentro do balão, a sua densidade fica menor que a do ar ao redor do balão.

A variação da densidade com a temperatura pode ser vista por meio de um aparelho chamado termômetro de Galileu, que é mostrado no início deste artigo. Ele é constituído de um tubo de vidro selado que contém água. Dentro dele ficam flutuando pequenas bolhas coloridas, que também contêm água com corante. Cada bolha possui uma etiqueta metálica que indica a temperatura da água colorida em seu interior. Quanto maior for a temperatura, mais a bolha flutuará e vice-versa.

É por isso que quando se menciona a densidade dos materiais, isso deve ser feito levando-se em consideração a temperatura e a pressão. Por exemplo, a densidade máxima da água ao nível do mar (pressão de 1 atm) e na temperatura de 3,98 ºC é de 1,0 g/cm3.

Quando a água passa para o estado de gelo, em temperaturas abaixo de zero ao nível do mar, a sua densidade diminui, indo para 0,92 g/cm3. Isso ocorre porque as ligações de hidrogênio entre as moléculas de H2O formam hexágonos com espaços vazios que aumentam o volume do gelo e diminuem a densidade.

Por ser menos denso que a água, o gelo flutua sobre ela. Comparando as suas densidades, temos que é necessário apenas 92% do volume do gelo para igualar a massa de água que ele desloca. Dessa forma, o gelo não fica totalmente acima da superfície da água, 92% do seu volume fica abaixo da superfície, restando apenas 8% acima da superfície.

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A densidade é uma propriedade intensiva, pois não depende da variação da massa. Isso é observado comparando-se um iceberg e um cubo de gelo. Ambos flutuam sobre a água na proporção mencionada, pois independentemente do tamanho e da massa, a densidade de ambos é a mesma.

A densidade do gelo é uma propriedade intensiva
A densidade do gelo é uma propriedade intensiva 

Isso é importante porque o gelo que se forma fica na superfície dos rios, mares, oceanos e lagos, formando um isolante térmico natural que impede que o restante da água congele e permite que inúmeras espécies animais e vegetais sobrevivam.

A densidade dos líquidos é medida com um aparelho chamado densímetro. Como a imagem abaixo mostra, ele é formado por um tubo de vidro graduado com pedaços de chumbo na parte inferior. Ao ser colocado no líquido, o densímetro para a uma determinada altura e, então, basta ler qual é a densidade na graduação onde ficou a superfície do líquido.

Uso de densímetro para medir a densidade de líquido
Uso de densímetro para medir a densidade de líquido

Segue a seguir a densidade de algumas substâncias a cerca de 20ºC e a 1 atm:

Água .......................................0,997 g/cm3
Álcool etílico...........................0,789 g/cm3
Alumínio ................................ 2,70 g/cm3
Chumbo...................................11,3 g/cm3
Diamante ..................................3,5 g/cm3
Leite integral............................1,03 g/cm3
Mercúrio .................................13,6 g/cm3

Veja que a densidade do álcool é menor que a do gelo. Por isso, quando colocamos gelo em um copo com alguma bebida alcoólica, o gelo afunda e não flutua como ocorre com a água.

A densidade é, portanto, uma propriedade específica que pode ser usada para identificar uma substância pura. Ela mostra também se foram adicionadas substâncias, formando uma mistura, pois isso altera a densidade da substância. É por isso que a densidade é uma grandeza muito usada para determinar se houve alguma adulteração em líquidos como o etanol combustível, a gasolina e o leite.

A densidade da mistura depende da quantidade de solutos dissolvidos. Por exemplo, a densidade do mar é maior que a densidade da água pura, pois há vários sais dissolvidos nele. O Mar Morto é o mar que possui a maior concentração de sal dissolvido em água, possuindo a densidade igual a 1,35 g/cm3. Entre as consequências dessa alta densidade, os turistas que o visitam podem ficar flutuando sobre as águas e até ler algum livro sem se preocupar em afundar.

A alta densidade do Mar Morto permite que se flutue sobre ele sem problemas?
A alta densidade do Mar Morto permite que se flutue sobre ele sem problemas

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