Nozione di densità, massa e volume

In questo appunto vengono affrontati argomenti importanti come il concetto di materiale, massa, volume e infine densità, andando a definire i concetti fondamentali e relazioni matematiche fondamentali per la comprensione degli argomenti essenziali nel mondo scientifico.

Cosa sono i materiali?

I materiali possono essere definiti come sostanze dalle quali ogni cosa è composta o fatta.

Otteniamo materiali dalla crosta terrestre e dall’atmosfera.
Esempi possono essere i seguenti riportati:

• Silicio e Ferro costituiscono rispettivamente il 27.72 ed il 5.00 % in peso della crosta terrestre.
• Azoto e Ossigeno costituiscono rispettivamente il 78.08 ed il 20.95 % in volume dell’aria secca.

Perché lo studio dei materiali è importante?

La produzione e la lavorazione dei materiali costituiscono una parte molto importante della nostra economia.
Gli ingegneri scelgono i materiali adeguati per un progetto.
Occorrono nuovi materiali per alcune nuove applicazioni.
Un esempio pratico possono essere i Materiali resistenti ad alta temperatura, oppure la Stazione Spaziale e Rovers per Marte dovrebbero resistere a condizioni nello spazio.
Alta velocità, bassa temperatura, resistente, ma leggero.
Occorrono modifiche delle proprietà per alcune applicazioni
Esempi sono proprio differenti tipologie di trattamenti a cui posso andare a sottoporre il materiale, come trattamento termico per modificare le proprietà.

Per ulteriori approfondimenti sul trattamento termico, vedi qui

Scienza e Tecnologia dei Materiali

La scienza dei materiali riguarda la conoscenza di base della struttura interna, delle proprietà e delle lavorazioni dei materiali.
La tecnologia dei materiali riguarda l’applicazione della conoscenza ottenuta dalla scienza dei materiali per convertire i materiali in prodotti.
La loro unione dà vita alla scienza e tecnologia dei materiali.

La massa e il peso

La differenza tra queste due grandezze è stata spiegata precedentemente. L’unità di misura della massa è il chilogrammo; alcuni multipli sono il quintale e la tonnellata, alcuni sottomultipli sono l’ettogrammo, il grammo e il milligrammo. L’unità di misura del peso è il newton (N) che è l’unità di misura delle forze in generale e quindi anche della forza peso. Lo strumento utilizzato per misurare la massa è la bilancia mentre quello per misurare il peso è il dinamometro.

Volume

Il volume rappresenta lo spazio occupato da un corpo. L’unità di misura è il metro cubo m3, anche se in laboratorio vengono utilizzati i sottomultipli come il dm3 che rappresenta il volume occupato da 1Kg di acqua alla temperatura di 4 °C, oppure il millilitro ml che equivale a un centimetro cubo cm3.
La maggior parte degli strumenti utilizzati in laboratorio è tarata in millilitri come il cilindro graduato, il pallone tarato, la pipetta tarata e la buretta graduata. Il volume varia in relazione alla temperatura e alla pressione. I gas, ad esempio, proprio in seguito a variazione di tali parametri, si dilatano o si comprimono mentre i solidi ed i liquidi anche essendo incompressibili subiscono piccole variazioni del proprio volume.

Densità

La densità di una sostanza rappresenta il rapporto tra la sua massa e il suo volume, pertanto variazioni di temperatura e pressione causano variazioni del volume e di conseguenza variazioni di densità. L’unità di misura è il g/cm3. Non deve essere confusa con il peso specifico di una sostanza che invece rappresenta il rapporto tra il suo peso e il suo volume.

La densità

La densità è una proprietà fisica che ci aiuta a scoprire la materia.
E' una proprietà fisica intensiva, quindi non dipende dalla quantità che si utilizza. Le proprietà chimiche invece si verificano solamente quando si mette una sostanza pura con altre sostanze.
Ma la massa e il volume possono cambiare, dalla quantità di materiale che si utilizza. Quindi le proprietà si dividono in estensive ( cambia o invariabile ), intensiva ( non cambia ).
All'aumentare della massa aumenta anche il volume, la densità rimane costante.
La densità è il rapporto tra la massa e il volume pari dunque alla seguente relazione matematica:

Ovviamente ci sono anche le formule inverse indirette e dirette.
Per trovare la massa:

Questa è la formula diretta ( es: perchè la bilancia è uno strumento diretto, ovvero non c'è bisogno di calcolare altre formule );

Questa è la formula indiretta ( perchè bisogna trovare più calcoli per arrivare alla formula stessa ).
Ricapitolando si possono fare le seguenti osservazioni.
La massa= la massa non è il peso come quasi tutti dicono, ma è la quantità di materia presente in un corpo, viene determinata con una bilancia e si misura in grammi (g).
Il volume= il volume si studia anche nella geometria tridimensionale, è lo spazio che occupa un corpo e si misura con il densimetro ( per i liquidi ), si esprime in centimetri cubici (cm^3) o in litri (l).

Nei liquidi e nei gas la densità dipende anche dalla temperatura perchè aumentando la temperatura, aumenta l'energia cinetica delle molecole e, quindi, si muovono e tendono ad occupare più spazio (per unità di volume, perciò, c'è minor massa).
Materiali che presentano un’organizzazione molecolare più compatta presentano densità più elevata ((perchè, a parità di volume, presentano una massa maggiore).

Densità relativa

La densità si può anche calcolare riferendola alla densità di una sostanza ben nota (tipicamente acqua a 4°C, per la quale densità = 1000 kg/m3). Questa densità definita come densità relativa, la cui relazione matematica è la seguente:

Pertanto si conclude che la densità relativa è il rapporto tra densità del prodotto rispetto alla densità dell'acqua.

Calcolo della densità. Esempio numerico

Esempio numerico. Si consideri un serbatoio avente volume pari e 5 m3 contiene olio di densità d= 850 kgm-3. Si determini la massa contenuta nel serbatoio.
La soluzione è la seguente riporta qui di seguito:

Curiosità: Densità nei prodotti alimentari

In molti casi un prodotto alimentare è costituito da più fasi multicomponente (solidi, liquidi, gas o aria). In questo caso la definizione generale non è sufficiente. Occorre considerare tre tipi di densità:

• densità dei solidi, calcolata attraverso il rapporto massa/volume
• densità del materiale, calcolata come rapporto massa/volume, una volta che il materiale è stato finemente frantumato in maniera da eliminare eventuali pori interni
• densità delle particelle: include i volumi di tutti i pori interni, ma non di quelli connessi esternamente. In questo caso il materiale non è modificato nella sua struttura (vedi densità del materiale) per la misura
• densità di massa (o apparente): densità calcolata considerando tutte le porosità
• densità bulk: densità di un prodotto quando confezionato o stoccato sfuso; dipende dalla dimensione e dalla forma del prodotto