¿Qué es la densidad?
La densidad es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. Suele expresarse mediante la letra del alfabeto griego rho (ρ). Su unidad en el Sistema Internacional es el kg/m3, aunque también es bastante común expresarla en g/cm3.
Se trata de una propiedad intrínseca de la materia, ya que no depende de la cantidad de sustancia que se considere.
Además de depender de la masa y del volumen, la densidad varía con la presión y la temperatura, así como con los cambios de estado. En términos generales, en el caso de que la presión aumente, la densidad también lo hace, ya que se tiene más masa en la misma unidad de volumen; por el contrario, un aumento de la temperatura implica un descenso de la densidad.
Estas variaciones con la presión y la temperatura marcan el comportamiento de la densidad de los gases. No obstante, en el caso de los sólidos y líquidos, normalmente el volumen (y, por tanto, la densidad) presenta pequeñas variaciones con los cambios de presión y/o temperatura.
Tipos de densidad
La densidad se puede definir de varias formas:
- Densidad absoluta. Expresa la relación entre la masa y el volumen de una sustancia o cuerpo determinado. Se expresa en kg/m3 o g/cm3.
- Densidad relativa. Es la relación existente entre la densidad de una sustancia y la de otra sustancia de referencia. Es un valor adimensional. Para los sólidos y líquidos suele emplearse como referencia la densidad del agua a 1 atm de presión y 4°C de temperatura. En el caso de los gases, la referencia habitual es la densidad del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0°C.
- Densidad media y densidad puntual. En los sistemas heterogéneos la densidad no es la misma en todas sus partes. De esta forma, la densidad media se obtiene dividiendo la masa total entre el volumen total, mientras que la densidad puntual será diferente en cada punto o porción del sistema.
- Densidad aparente. Se aplica a materiales porosos, que pueden tener aire u otras sustancias incorporadas entre sus poros. A la hora de calcularla hay que tener en cuenta la masa de la sustancia que ocupa los poros, así como el volumen que ocupa. De esta forma, la densidad total de un volumen del material es menor que la densidad del material poroso compactado. Por tanto, esta densidad depende de su compactación. Es una medida habitual en suelos.
Medición de la densidad
La densidad puede medirse de forma indirecta (a partir de las medidas de masa y volumen por separado) o de forma directa.
La medición de la masa se hace con una balanza, mientras que el volumen puede obtenerse determinando la forma del objeto y midiendo sus dimensiones o mediante el desplazamiento de un líquido, entre otros métodos.
Los instrumentos más comunes para obtener medidas directas de la densidad son los siguientes:
- Densímetro. Permite la medida directa de la densidad de un líquido. Consiste en un cilindro de vidrio hueco con un bulbo pesado en un extremo, y que se introduce verticalmente en el líquido dejándolo en reposo hasta que flote. La medida de su densidad se hace en función del nivel de hundimiento.
- Picnómetro. Se puede emplear para la medida en sólidos, líquidos y gases. Es un instrumento de volumen conocido que permite conocer la densidad o peso específico mediante gravimetría a una temperatura determinada.
- Balanza hidrostática. Su uso se restringe a los sólidos y líquidos. Hoy en día son menos habituales que los densímetros y los picnómetros.
- Balanza de Mohr. Es una variante de la balanza hidrostática empleada para medir densidades de líquidos.
Densidad del agua
La densidad del agua es de alrededor de 1 g/cm3. Sin embargo, hay que tener en cuenta factores como la temperatura, la presión y la salinidad, de los cuales depende en gran medida esta densidad. Por ejemplo, el incremento de la salinidad aumenta la densidad.
Como norma general, la densidad aumenta al disminuir la temperatura. A medida que la temperatura crece, los átomos y moléculas de agua se mueven más y se alejan; esto hace que la densidad decrezca debido a la disminución de masa en el mismo volumen.
Sin embargo, en el caso del agua, la máxima densidad se alcanza con una temperatura de 3,98°C. Por debajo de esta temperatura el incremento de moléculas de agua forma polímeros hexagonales y decrece la densidad, mientras que, por encima, las moléculas de agua son cada vez más energéticas y se alejan unas de otras, decreciendo también su densidad.
Esta anómala variación de la densidad del agua con la temperatura determina es la responsable de que el hielo flote en agua, al ser menor su densidad. Esto es clave para el mantenimiento de la biosfera marina, ya que el hielo de la superficie en el agua permite que las aguas situadas por debajo queden protegidas térmicamente del exterior y puedan alcanzar los 4°C o 5°C, suficientes para la supervivencia de ciertas especies.
Comportamiento de la densidad en los océanos
La densidad del agua pura es de 1000 kg/m3. El agua de los océanos es más densa porque contiene sal, siendo ésta de aproximadamente 1027kg/m3.
No obstante, la densidad del agua de mares y océanos depende de la temperatura, la salinidad y la presión. A su vez, estos tres factores dependen de la latitud y de la profundidad oceánica.
El agua de los océanos se hace más densa a medida que disminuye su temperatura y/o aumenta su salinidad. Sin embargo, la temperatura influye más en la densidad del agua que la salinidad, de manera que un agua más salada puede flotar sobre un agua menos salada, siempre que la capa con mayor salinidad sea un poco más cálida que la otra.
La distribución de las corrientes dentro del océano depende de la distribución de presión, que a su vez depende de la variación de la densidad dentro del océano. Por tanto, para conocer el movimiento del agua hay que conocer su distribución de densidad.
- Variación con la latitud
A escala planetaria, la temperatura de la superficie del mar correlaciona fuertemente con la latitud debido a la insolación.
La distribución de la temperatura es zonal, de forma que la temperatura más cálida se tiene cerca del ecuador y decrece hacia el polo. De 40° hacia el ecuador, las temperaturas más frías están en el margen oriental de los océanos y las más cálidas en la parte occidental. De 40° hacia el polo, el agua fría tiende a estar en el margen occidental. Esto es debido a las corrientes oceánicas, que juegan un papel fundamental en la regulación del clima a escala global.
En cuanto a la salinidad, las zonas con valores más altos corresponden a aquellas en las que la evaporación excede a la precipitación. Esto ocurre en las regiones subtropicales (entre 10 y 40° de latitud, aproximadamente). Por debajo y por encima de estas regiones el agua superficial es menos salada por un exceso de precipitación (en forma de agua dulce).
Hasta ahora hemos explicado el comportamiento de la densidad de la capa más superficial del agua, influida directamente por el estado de la atmósfera. Pero ¿cómo varía la densidad con la profundidad en los océanos?
- Variación con la profundidad
A medida que se desciende hacia el fondo del océano, la presión es mayor y la temperatura es menor, de forma que la densidad aumenta con la profundidad.
Sin embargo, este descenso no es lineal, debido a que la temperatura no desciende de forma homogénea. Por ello, en función del comportamiento de la temperatura y por ende, de la densidad, podemos diferenciar tres capas en el océano: la capa de mezcla (superficial), la termoclina o picnoclina, y la capa profunda.
La capa de mezcla tiene una profundidad de entre 10 y 200 metros en los trópicos y latitudes medias y presenta variaciones diarias y estacionales. Está condicionada por el comportamiento de la atmósfera y en ella la temperatura y la salinidad apenas varían con la profundidad. Por tanto, en esta capa la densidad disminuye únicamente en función de la mayor presión existente a mayor profundidad.
Por debajo de la capa de mezcla, aparece una franja en la que la temperatura decrece rápidamente con la profundidad, excepto en latitudes altas: la termoclina. Dada la relación entre temperatura y densidad, la termoclina coincide con la región en que el gradiente de densidad es mayor: la picnoclina.
Los océanos tropicales y subtropicales están divididos de forma permanente en una capa de agua cálida y menos densa separada de otra más densa y profunda gracias a la termoclina (picnoclina). En los polos no existe esta capa y en latitudes medias el cambio es menos drástico.
Por debajo de este fuerte gradiente encontramos la capa profunda oceánica, en la que se encuentran las aguas más frías y densas. Representa el 80% del volumen de agua. La circulación en las profundidades de los océanos es horizontal, es decir, el agua se desplaza en capas de igual densidad. Es lo que se conoce como circulación termohalina.
Densidad de las masas de aire
La densidad del aire es la masa por unidad de volumen de los gases atmosféricos, y depende de la temperatura y la presión atmosférica. La densidad guarda una relación directa con la presión atmosférica e inversa con la temperatura. Es decir, a mayor presión, mayor densidad, y a mayor temperatura, menor densidad.
La densidad no solo se ve afectada por la presión y la temperatura, sino también por la cantidad de vapor de agua presente en la atmósfera. El aire húmedo es menos denso que el aire seco, ya que el vapor de agua tiene una densidad menor que el aire seco.
La densidad del aire seco a 0°C y 1 atm es de 1,29 kg/m3. El estándar de la IUPAC de presión y temperatura (100 kPa y 0°C) utiliza una densidad del aire seco de 1,2754 kg/m3.
Para calcular la densidad del aire se puede aplicar la Ley de los Gases Ideales, que expresa la densidad en función de la presión y la temperatura.
Como norma general, tanto la presión como la temperatura disminuyen con la altura en la troposfera (en los primeros 10 o 15 km de la atmósfera). Por tanto, considerando únicamente la presión, cabría esperar una disminución de la densidad con la altitud; por el contrario, si solo tenemos en cuenta la temperatura, esperaríamos un aumento de la densidad al ascender.
No obstante, las características propias de cada masa de aire hacen que esto no sea siempre así.
Al calentarse la superficie por la insolación, el aire más cercano al suelo se calienta y comienza a ascender (disminuye su densidad). Este ascenso continuará mientras que el resto del aire que rodea a la parcela ascendente se encuentre a menor temperatura (mayor densidad). Cuando este ascenso es posible, hablamos de inestabilidad atmosférica.
Por el contrario, si una parcela de aire, al elevarse, siempre se encontrara con aire externo más cálido (menos denso), tendería a descender hacia el nivel desde que comenzó a subir. En este caso tenemos estabilidad atmosférica.
Por tanto, la estabilidad en una capa atmosférica se determina comparando la temperatura (densidad) de una parcela de aire que se desplaza verticalmente en dicha capa con la del aire externo en cada nivel por el que pasa.
En condiciones de máxima estabilidad atmosférica aparece el fenómeno de la inversión térmica. En este caso, la temperatura aumenta con la altura (la densidad disminuye) debido a que las capas más cercanas al suelo se enfrían más por la noche que las capas más altas, por la pérdida de calor del suelo por radiación.
Esta inversión térmica implica que el aire frío, más denso, quede retenido en la superficie, pudiendo llevar a episodios de contaminación atmosférica.