Aller au contenu

Masse volumique

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Masse volumique
Description de cette image, également commentée ci-après
Le thermomètre de Galilée utilise la variation de la masse volumique du liquide incolore en fonction de la température.
Unités SI kg/m3
Dimension M.L-3
Nature intensive
Symbole usuel ρ

La masse volumique d'une substance, aussi appelée densité volumique de masse, est une grandeur physique qui caractérise la masse de cette substance par unité de volume[1]. C'est l'inverse du volume massique. La masse volumique est synonyme des expressions désuètes « densité absolue », « densité propre »[2], ou encore « masse spécifique ».

Cette grandeur physique est généralement notée par les lettres grecques ρ (rhô) ou µ (mu). Leur usage dépend du domaine de travail. Toutefois, le BIPM recommande[3] d'utiliser la notation ρ.

Il ne faut pas confondre la masse volumique d'une substance avec sa densité, cette dernière étant le rapport de la masse volumique de la substance à celle de l'eau (pour des substances solides ou liquides) ou de l'air (pour des substances gazeuses). La masse volumique de l'eau valant 1 g/cm3 à 3,98 °C, la densité d'un solide ou d'un liquide 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. Une source d'erreur supplémentaire est qu'en anglais la masse volumique se dit density (et la densité relative density).

La masse volumique est une grandeur intensive définie localement, en tout point M d'une substance :

est la masse infinitésimale de la substance occupant le volume infinitésimal qui entoure M[4]. On peut aussi définir la masse volumique moyenne :

m est la masse de la substance et V le volume qu'elle occupe. On peut également l'obtenir par intégration :

où l'intégrale triple est étendue à tout l'espace occupé par la substance.

Unités de mesure

[modifier | modifier le code]

L'unité de mesure de la masse volumique dans le Système international est le kilogramme par mètre cube (kg/m3). Dans le système CGS, elle s'exprime en g/cm3, 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/cm3, le kg/l ou la t/m3 (ces dernières unités étant numériquement équivalentes) ou toute autre unité exprimée par le rapport d'une unité de masse et d'une unité de volume.

Ces unités ne doivent pas être confondues avec la notation g/l fréquemment utilisée en chimie pour caractériser la concentration d'un soluté dans une solution aqueuse. Par exemple le sérum physiologique est une solution à 9 g/l de NaCl ; cela signifie qu'il y a 9 g de NaCl pour 1 l de solution, et pas que la masse volumique du sérum est 9 g/l. À la différence de la masse volumique, le gramme et le litre ne correspondent pas à la même matière.

La valeur numérique est la même dans plusieurs unités car 1 g/cm3 = 1 kg/dm3 = 1 kg/l = 1 t/m3, et de même 1 g/l = 1 kg/m3 La masse volumique de l'eau est très proche de 1 kg/l. 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 °C (température à laquelle la masse volumique de l'eau est maximale) ; la valeur exacte de la masse volumique de l'eau à °C est de 0,999 972 kg/l[5].

Instruments de mesure

[modifier | modifier le code]
Pycnomètre.

La masse volumique d'un liquide, d'un solide ou d'un gaz peut être déterminée à l'aide d'un pycnomètre ou par le débitmètre à effet Coriolis. Pour les solides, il est également possible 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. En ce qui concerne les liquides, il est possible d'utiliser un hydromètre mais la mesure ne sera pas aussi précise que lors d'une mesure simple avec un récipient étalon[6].

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, le densimètre électronique dont la fréquence résultante est proportionnelle à la masse volumique du produit injecté[5].

Différentes masses volumiques en milieux granulaires

[modifier | modifier le code]
Définition des volumes.

Masse volumique en vrac ou apparente

[modifier | modifier le code]

La masse volumique apparente est le rapport entre la masse des particules et le volume apparent qui comprend le volume du solide, celui des pores et le volume de l'espace entre les grains[7]. 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.

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

Masse volumique réelle

[modifier | modifier le code]

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/m3 et pour le ciment, elle varie entre 2 850 et 3 100 kg/m3 selon la catégorie.

Masse volumique absolue ou de la matière

[modifier | modifier le code]

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. La masse volumique absolue est donc le rapport de la masse du matériau sur le volume réel auquel on a soustrait le volume des pores (ouverts et fermés). Elle est égale à la masse volumique réelle dans le cas des matériaux non poreux.


Masse volumique des solutions

[modifier | modifier le code]

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

où :

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

Autre expression :

.

Relation entre la masse molaire et le volume molaire

[modifier | modifier le code]

La masse volumique est le rapport entre la masse molaire d'une solution et le volume molaire de la solution :

Pour une solution avec deux composants on peut écrire :

Masse volumique d'une particule matérielle

[modifier | modifier le code]

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, thermiqueetc.), 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.

Influences externes

[modifier | modifier le code]

La masse volumique peut être influencée par des paramètres externes. La pression et la température de mesure en sont la source, en particulier pour les gaz[4]. L'augmentation de la pression sur un objet diminue son volume et augmente donc sa masse volumique. La variation avec la température est décrite par le coefficient de dilatation. Certains matériaux (dont le bois et certaines matières plastiques) pouvant absorber de l'eau, le taux d'humidité modifie aussi la masse volumique.

Tables des masses volumiques de diverses substances

[modifier | modifier le code]

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

[modifier | modifier le code]
Roches, minéraux, matériaux usuels Masse volumique
(kg/m3)
ardoise 2 700–2 800
amiante 2 500
argile 1 300–1 700
béton 2 200 (armé 2 500)
béton bitumineux dit enrobé 2 350
calcaire 2 000–2 800
compost 550 - 600[8],[9]
craie 1 700–2 100
diamant 3 517
granit 1 800 (altéré) – 2 500
granite 2 700
grès 1 600–1 900
kaolin 2 260
marbre 2 650–2 750
quartz 2 650
pierre ponce 910
porcelaine 2 500
sable 1 600 (sec) – 2 000 (saturé)
silicium 2 330
terre végétale 1 250
verre à vitres 2 530
coton 20 - 60

Métaux et alliages

[modifier | modifier le code]
Métaux et alliages Masse volumique
(kg/m3)
acier 7 500 - 8 100[10],[11]
acier rapide HSS 8 400 - 9 000
fonte 6 800 - 7 400
aluminium 2 700
argent 10 500
béryllium 1 848
bronze 8 400 - 9 200
carbone (diamant) 3 508
carbone (graphite) 2 250
constantan 8 910
cuivre 8 960[12]
duralium 2 900
étain 7 290
fer 7 860
iridium 22 560
laiton 7 300 - 8 800
lithium 530
magnésium 1 750
mercure 13 545
molybdène 10 200
nickel 8 900
or 19 300
osmium 22 610
palladium 12 000
platine 21 450
plomb 11 350
potassium 850
tantale 16 600
titane 4 500
tungstène 19 300
uranium 19 100
vanadium 6 100
zinc 7 150
Liquides Masse volumique
(kg/m3)
acétone 790
acide acétique 1 049
azote liquide à −195 °C 810
brome à °C 3 087
eau à °C 1 000[13]
eau de mer 1 000–1 032[14]
essence 750
éthanol 789
éther 710
gazole 850
glycérine 1 260
hélium liquide à −269 °C 150
huile d'olive, huile de raisin, huile de sésame, et beaucoup d'autres huiles végétales 920
hydrogène liquide à −252 °C 70
oxygène liquide à −184 °C 1 140
lait 1 030
sang humain 1 056–1 066

Voir [1] pour une liste de densité d'huiles (contient beaucoup d'huiles rares mais il manque plusieurs huiles très courantes telles que tournesol, colza, maïs, soya et arachide)

Gaz à °C Formule Masse volumique
(kg/m3 ou g/l)
acétylène C2H2 1,170
air - 1,293
air à 20 °C - 1,204
hexafluorure de soufre à 20 °C SF6 6,164
ammoniac NH3 0,77
argon Ar 1,783
diazote N2 1,250
isobutane C4H10 2,670
butane (linéaire) C4H10 2,700
dioxyde de carbone CO2 1,804
vapeur d'eau à 100 °C H2O 0,597
hélium He 0,178
dihydrogène H2 0,089
krypton Kr 3,74
néon Ne 0,90
monoxyde de carbone CO 1,250
ozone O3 2,14
propane C3H8 2,01
radon Rn 9,73

Matières plastiques, caoutchouc

[modifier | modifier le code]
Matières plastiques, caoutchouc Masse volumique
(kg/m3)
PP 850 - 920
PEBD 890 - 930
PEHD 940 - 980
ABS 1 040–1 060
PS[15] 1 040–1 060
nylon 6,6 1 120–1 160
PMA 1 160–1 200
PLA 1 250
PMMA, Plexiglas 1 180–1 190
PVC souple (plastifié) 1 190–1 350
Bakélite 1 350–1 400
PET 1 380–1 410
PVC rigide 1 380–1 410
caoutchouc 920–2 200

Le bois est une matière vivante dont la masse volumique varie selon plusieurs paramètres, principalement l'essence et l'humidité. Les bois dont la masse volumique dépasse 1 000 kg m−3 ne flottent pas.

Selon l'essence
Bois Masse volumique
(kg/m3)
acajou 700
balsa 140
buis 910 - 1 320
cèdre 490
châtaignier 560 - 700
charme 700 - 850
chêne 610 - 980
chêne (cœur) 1 170
contreplaqué 440 - 880
ébène 1 150
frêne 840
hêtre 800
liège 240
peuplier 390
pin 500
platane 650
sapin 450
teck 860
Selon l'humidité
Famille d'essence[16] Humidité sur
masse brute
(%)
Masse volumique
(kg/m3)
bois tendres (résineux) 0 450
20 560
50 900
bois moyens 0 550
20 690
50 1 100
bois durs (feuillus) 0 650
20 810
50 1 300

Masse volumique des éléments à l'état standard, à température et pression ambiantes, en g/cm3 (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) :

H He
Li
0,534
Be
1,848
  B
2,34
C
2
N O F Ne
Na
0,971
Mg
1,738
Al
2,6989
Si
2,33
P
1,82
S
2,07
Cl Ar
K
0,89
Ca
1,54
  Sc
2,989
Ti
4,51
V
6
Cr
7,15
Mn
7,3
Fe
7,874
Co
8,9
Ni
8,902
Cu
8,96
Zn
7,134
Ga
5,904
Ge
5,323
As
5,72
Se
4,79
Br
3,12
Kr
Rb
1,532
Sr
2,64
  Y
4,469
Zr
6,52
Nb
8,57
Mo
10,22
Tc
11,5
Ru
12,1
Rh
12,41
Pd
12,02
Ag
10,5
Cd
8,69
In
7,31
Sn
7,29
Sb
6,68
Te
6,23
I
4,93
Xe
Cs
1,87
Ba
3,62
*
Lu
9,841
Hf
13,31
Ta
16,4
W
19,3
Re
20,8
Os
22,587
Ir
22,562
Pt
21,45
Au
19,3
Hg
13,546
Tl
11,85
Pb
11,35
Bi
9,79
Po
9,2
At Rn
Fr
1,87
Ra
5
**
Lr Rf
23,2
Db
29,3
Sg
35
Bh
37,1
Hs
40,7
Mt
37,4
Ds
34,8
Rg
28,7
Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
   
  *
La
6,145
Ce
6,77
Pr
6,773
Nd
7,008
Pm
7,264
Sm
7,52
Eu
5,244
Gd
7,901
Tb
8,23
Dy
8,551
Ho
8,795
Er
9,066
Tm
9,321
Yb
6,9
  **
Ac
10,07
Th
11,72
Pa
15,37
U
19,1
Np
20,25
Pu
19,816
Am
12
Cm
13,51
Bk
13,25
Cf
15,1
Es
8,84
Fm Md No

Masse volumique des éléments à leur point de fusion en g/cm3[17] :

H
0,071
He
Li
0,512
Be
1,69
  B
2,08
C N O F Ne
Na
0,927
Mg
1,584
Al
2,375
Si
2,57
P S
1,819
Cl Ar
K
0,828
Ca
1,378
  Sc
2,8
Ti
4,11
V
5,5
Cr
6,3
Mn
5,95
Fe
6,98
Co
7,75
Ni
7,81
Cu
8,02
Zn
6,57
Ga
6,08
Ge
5,6
As
5,22
Se
3,99
Br Kr
Rb
1,46
Sr
6,98
  Y
4,24
Zr
5,8
Nb Mo
9,33
Tc Ru
10,65
Rh
10,7
Pd
10,38
Ag
9,32
Cd
7,996
In
7,02
Sn
6,99
Sb
6,53
Te
5,7
I Xe
Cs
1,843
Ba
3,338
*
Lu
9,3
Hf Ta
15
W
17,6
Re
18,9
Os
20
Ir
19
Pt
19,77
Au
17,31
Hg Tl
11,22
Pb
10,66
Bi
10,05
Po At Rn
Fr Ra **
Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
   
  *
La
5,94
Ce
6,55
Pr
6,5
Nd
6,89
Pm Sm
7,16
Eu
5,13
Gd
7,4
Tb
7,65
Dy
8,37
Ho
8,34
Er
8,86
Tm
8,56
Yb
6,21
  **
Ac Th Pa U
17,3
Np Pu
16,63
Am Cm Bk Cf Es Fm Md No

Notes et références

[modifier | modifier le code]
  1. Jacques Liboid, Guide des unités de mesure : Un mémento pour l'étudiant, Bruxelles/Paris, De Boeck Université, , 150 p. (ISBN 2-8041-2055-4, lire en ligne), p. 59
  2. Élie Lévy, Dictionnaire de physique, PUF, Paris, 1988, p. 217
  3. Bureau international des poids et mesures, Le Système international d'unités (SI), Sèvres, BIPM, , 9e éd., 216 p. (ISBN 978-92-822-2272-0, lire en ligne [PDF]), chap. 2.3.4 (« Unités dérivées – Tableau 5. »), p. 27.
  4. a et b Martin Heinisch, Mechanical resonators for liquid viscosity and mass density sensing, 2015, disponible en ligne sur theses.fr.
  5. a et b (en) Krüss Optronic, https://www.kruess.com/en/campus/density-measurement/what-is-digital-density-measurement/, version 1.0, Hambourg.
  6. « OECD Test Guideline 109 on measurement of density ».
  7. Collet Romain, Critères de malaxabilité des mélanges granulaires humides, thèse présentée en janvier 2010, p 16, disponible ici.
  8. Documentation sur le compostage
  9. [PDF] Rapport final du projet : Mise en œuvre de la technique du Bois Raméal Fragmenté (BRF) en agriculture wallonne, juin 2006, p. 17
  10. J.-L. Fanchon, Guide de mécanique — Sciences et technologies industrielles, Nathan, (ISBN 2-09-178965-8), p. 538
  11. Propriétés physiques de différents aciers [archive du ], sur OTUA
  12. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-4200-9084-0)
  13. (en) Water density and specific weight, 2e tableau, Engineeringtoolbox.com (consulté en décembre 2013)
  14. Valeurs à pression atmosphérique d'après l'équation d'état internationale de l'eau de mer 1980 : Gérard Copin-Montégut, Propriétés physiques de l’eau de mer, Techniques de l'ingénieur, (lire en ligne), p. 8-9
  15. Il est ici question du polystyrène sous sa forme primaire, compacte. Mais ce polymère peut se présenter sous différentes formes de masse volumique plus faible, dont entre autres la forme expansée blanche qui est la plus connue du grand public, ce qui peut être source de confusion.
  16. DGEMP-ADEME, « Définitions, équivalences énergétiques, méthodologie pour l'utilisation du tableau de bord des statistiques du bois énergie » [PDF], sur nature.jardin.free.fr, (consulté le )
  17. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, , 90e éd., 2 804 p., relié (ISBN 978-1-4200-9084-0)

Sur les autres projets Wikimedia :

Articles connexes

[modifier | modifier le code]

Liens externes

[modifier | modifier le code]