Masse volumique

Le thermomètre de Galilée utilise la variation de la masse volumique du liquide incolore en fonction de la température.

La masse volumique, aussi appelée densité volumique de masse, est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par unité de volume.

Elle est généralement notée par les lettres grecques ρ (rhô) ou µ (mu). On utilise ces deux notations en fonction des habitudes du domaine de travail. Toutefois, le Bureau international des poids et mesures (BIPM) recommande d'utiliser la notation ρ^[1].

Elle est déterminée par le rapport

où m est la masse de la substance homogène occupant un volume V.

La masse volumique est le synonyme moderne des expressions désuètes « densité absolue » et « densité propre »^[2], ou encore « masse spécifique ».

La masse volumique est l'inverse du volume massique.

Unités de mesure

L'unité de mesure de la masse volumique dans le système international est le kilogramme par mètre cube ( kg⋅m^-3 ou  kg/m³). Dans le système CGS, elle s'exprime en  g⋅cm^-3, ce qui a l'avantage de donner des valeurs numériques de l'ordre de l'unité pour les solides dans les conditions normales de température et de pression (CNTP).
On utilise couramment le  g⋅cm^-3, le  kg⋅L^-1 ou la  t⋅m^-3 (ces trois dernières unités étant numériquement équivalentes)… ou toute autre unité exprimée par le rapport d'une unité de masse et d'une unité de volume.

Remarques

• La valeur numérique est la même dans plusieurs unités car 1 g⋅cm^-3 = 1 kg⋅dm^-3 = 1 kg⋅L^-1 = 1 t⋅m^-3
• La masse volumique de l'eau est très proche de 1 kg⋅L^-1. Ce n'est pas un hasard, car cela résulte des premières tentatives de définition du kilogramme comme la masse d'un litre d'eau à 4 °C (température pour laquelle la masse volumique de l'eau est maximale) ; la valeur exacte de la masse volumique de l'eau à 4 °C est de 0,999 973 kg⋅L^{-1[réf. nécessaire]}.

Masse volumique et densité

La densité d'un matériau est, pour les solides et les liquides, le rapport de la masse volumique de ce matériau à celle de l'eau.

Pour les gaz, la densité est calculée en rapport avec la masse volumique de l'air.

Dans les deux cas, la densité est forcément un nombre sans dimension.

La masse volumique de l'eau valant, à 3,98 °C, 1 g/cm³, la densité d'un liquide ou d'un solide s'exprime par la même valeur numérique que sa masse volumique en g/cm³ ou en kg/ℓ : par exemple, il est équivalent de dire que la densité de l'éthanol est de 0,79 ou que sa masse volumique est de 0,79 g/cm³. Ceci donne lieu à des confusions fréquentes entre les concepts de masse volumique et de densité. À noter également comme source d'erreur supplémentaire, la traduction anglaise de masse volumique qui est density. (En anglais, densité se dit relative density.)

Les différentes masses volumiques en milieux granulaires

Définition des volumes.

La masse volumique en vrac ou apparente

Les valeurs données dans les tableaux de cet article sont définies par cette masse volumique qui est la plus couramment utilisée pour les matériaux de manière générale. C'est le rapport entre la masse de matériau et le volume apparent de l'ensemble des grains.

Pour les matériaux usuels de construction (sable, graviers, etc.) cette masse volumique varie entre 1 400 et 1 600 kg/m³.

La masse volumique réelle

C'est le rapport entre la masse de matériau et le volume réel des grains (somme des volumes élémentaires des grains y compris le volume des pores fermés).

Pour les granulats courants, cette masse volumique varie entre 2 500 et 2 650 kg⋅m^-3 et pour le ciment, elle varie entre 2 850 et 3 100 kg⋅m^-3 selon la catégorie.

La masse volumique absolue ou de la matière

Cette grandeur est intéressante pour les matériaux poreux. Pour y accéder, il faut broyer très finement le matériau et mesurer la masse volumique réelle de la poudre obtenue. C'est le rapport de la masse du matériau sur le volume réel auquel on a soustrait le volume des pores (ouverts et fermés). La masse volumique absolue est égale à la masse volumique réelle dans le cas des matériaux non poreux.

Instrument de mesure

Pycnomètre.

La masse volumique d'un liquide, d'un solide ou d'une pâte peut être déterminée à l'aide d'un pycnomètre ou par le débitmètre à effet Coriolis. Pour les solides, il est possible également d'utiliser une balance et d'effectuer une pesée dans l'air puis une pesée dans un liquide (l'eau de préférence), cette méthode permet une plus grande précision.

Un densimètre automatique pour du gaz et du fluide qui utilise le principe du tube en U oscillant.

Une autre possibilité pour déterminer les densités de liquides et de gaz est d'utiliser un instrument numérique basé sur le principe du tube en U oscillant, dont la fréquence de résonance est déterminée par les matériaux, comme la masse d'un diapason est cruciale à la hauteur du son^[3].

Masse volumique des solutions

La masse volumique d’une solution est la somme des concentrations massiques (masses volumiques partielles) des composants de la solution :

où m_i est la masse du composant i dans le mélange, V volume de mélange, ρ_i la concentration massique du composant i dans le mélange.

Autre expression :

.

Masse volumique d'une particule matérielle

La masse volumique est une grandeur physique relative à une quantité de matière présente à l'intérieur d'un espace : c'est donc une grandeur physique moyenne.

En physique des milieux continus (mécanique des milieux continus, résistance des matériaux, mécanique des fluides, thermique…), la masse volumique doit pouvoir être définie en tout point situé à l'intérieur d'un corps solide ou fluide.

Une particule matérielle est, précisément, à l'intérieur d'un corps, une quantité de matière dont la masse volumique est une fonction continue des coordonnées du point, en n'importe quel point que cette particule contient. La masse volumique d'une particule matérielle est donc une grandeur physique moyenne qui est, aussi, à l'échelle d'un corps, une grandeur physique ponctuelle.

Variation avec la température

La variation de la masse volumique avec la température est décrite par le coefficient de dilatation.

Tables des masses volumiques de diverses substances

La masse volumique varie selon plusieurs paramètres. Elle dépend notamment de la température et, particulièrement pour les gaz, de la pression. Certains matériaux (dont le bois) pouvant absorber de l'eau, le taux d'humidité modifie aussi la masse volumique. Pour les matériaux poreux (argile, sable, sol, bois), les masses volumiques indiquées sont des masses volumiques apparentes.

Sauf indications contraires, les masses volumiques sont données pour des corps à la température de 20 °C, sous la pression atmosphérique normale (1 013 hPa).

Roches, minéraux, matériaux usuels

Métaux et alliages

Liquides

Gaz

Matières plastiques

Bois

Le bois est une matière vivante dont la masse volumique varie principalement selon plusieurs paramètres notamment l’essence et l’humidité. Les bois dont la masse volumique dépasse 1000 kg/m³ ne flottent pas.

Éléments

Masse volumique des éléments à l'état standard, à température et pression ambiantes, en g·cm⁻³ (les éléments d'une densité supérieure à celle de l'osmium ou de l'iridium ont seulement une densité calculée/prédite et non mesurée effectivement, ces éléments radioactifs super-lourds ont été produits en quantité trop faible ou se désintègrent trop vite pour permettre une mesure) :

Masse volumique des éléments à leur point de fusion en g·cm^{−3 [12]} :

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Poids spécifique
• Densimètre électronique
• Aérographite
• Particule matérielle

Liens externes

• Masse volumique de l'eau de 0 °C à 30 °C/1 °C et de 30 °C à 100 °C/10 °C
• Masse volumique d'une particule de matière fluide ou solide

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