Gęstość

Gęstość, masa właściwa[1] – stosunek masy pewnej ilości substancji do zajmowanej przez nią objętości[2].

W przypadku substancji jednorodnych porcja ta może być wybrana dowolnie. Jeśli masa równa jest ${\displaystyle m,}$ a jej objętość ${\displaystyle V,}$ to gęstość substancji wynosi[2]:

${\displaystyle \rho ={\frac {m}{V}}}$

i nie zależy od wyboru próbki.

Gęstość substancji niejednorodnych jest zależna od miejsca w przestrzeni i określana jest dla każdego punktu, jako granica stosunku masy do objętości, przy zmniejszaniu objętości obejmującej dany punkt[2]:

${\displaystyle \rho ={\frac {dm}{dV}}.}$

Jednostką gęstości w układzie SI jest kilogram na metr sześcienny – kg/m³. Inne jednostki to m.in. kilogram na litr – kg/l oraz gram na centymetr sześcienny – g/cm³ (w układzie CGS).

Gęstość jest wielkością charakterystyczną dla substancji w określonych warunkach fizycznych. Dla większości substancji jest zależna od panujących warunków, w szczególności od temperatury i ciśnienia[2]. W związku z tym w tablicach opisujących właściwości materiałów podaje się ich gęstość zmierzoną w określonych warunkach; przeważnie są to warunki standardowe lub normalne.

Znajomość gęstości pozwala na obliczenie masy określonej objętości substancji. Dla substancji jednorodnej zachodzi

${\displaystyle m=\rho V,}$

a dla ciał niejednorodnych, w danym punkcie obliczamy całkę po każdej elementarnej objętości w pozycji ${\displaystyle r{:}}$

${\displaystyle m=\int _{V}\rho ({\vec {r}})\,dV.}$

Gęstość ciał stałych i ciekłych można wyznaczyć przez ważenie próbek o znanej objętości. Przy wyznaczaniu gęstości cieczy stosuje się również areometry. Areometry wypełnione cieczą o znanej gęstości mogą służyć do wyznaczania gęstości innych cieczy. Przy wyznaczaniu gęstości gazów stosuje się między innymi ważenie naczyń z gazem o różnym ciśnieniu gazu[2].

Gęstość większości substancji zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury (jednym z wyjątków jest woda w temperaturze poniżej 4 °C). Zjawisko to wynika z rozszerzalności cieplnej ciał. Podczas przemian fazowych gęstość zmienia się skokowo (w temperaturze przemiany), podczas krzepnięcia zazwyczaj wzrasta (najbardziej znanymi wyjątkami są woda, żeliwo, a z pierwiastków bizmut, gal i german)[2].

Spośród pierwiastków, w warunkach normalnych, największą gęstość mają osm (22 600 kg/m³) oraz iryd (22 400 kg/m³), dla porównania gęstość ołowiu jest dwukrotnie mniejsza.