¿Qué es la densidad?
Es una magnitud escalar que indica la cantidad de masa presente en un cierto volumen de materia. Normalmente se expresa en kilogramos por metro cúbico (kg/m3) y se representa con la letra “ρ” («rho»), del alfabeto griego.
La densidad depende de la masa y del volumen, pero también de la presión, la temperatura y el estado de la materia. Se considera una «propiedad intrínseca», ya que su valor no es proporcional a la cantidad de sustancia involucrada.
Sabemos que la densidad aumenta con la presión y disminuye con la temperatura. Es decir, si elevamos la presión de un sistema, vamos a obtener una mayor concentración de masa en el mismo volumen (aumenta la densidad), y, por el contrario, si lo que elevamos es la temperatura, vamos a provocar un mayor distanciamiento de las moléculas (disminuye la densidad). Por este motivo, las variaciones de presión y temperatura dominan el comportamiento de la densidad en los gases, pero no en sólidos y líquidos, ya que, en éstos, las variaciones de volumen son mucho más pequeñas en comparación.
Tipos de densidad
- Densidad absoluta: Representa la relación entre la cantidad de masa y el volumen total de una sustancia. Se expresa en kg/m3.
- Densidad relativa: Es una magnitud adimensional que expresa la relación entre la densidad absoluta de una sustancia y un valor de referencia. Por ejemplo, en gases suele utilizarse como referencia la densidad del aire a una temperatura de 0ºC y una presión de 1 atm.
- Densidad media y densidad puntual: Se aplican a sistemas heterogéneos, es decir, compuestos por dos o más sustancias. La densidad media es un valor representativo de todo el sistema, se obtiene al dividir la masa total por el volumen. En cambio, la densidad puntual expresa solamente la densidad en un punto específico del sistema.
- Densidad aparente: Es la densidad que tendría un material poroso si fuera compactado, es decir, liberado de toda sustancia externa (con densidad propia). Se utiliza mayormente para caracterizar tipos de suelos.
¿Cómo se mide?
Si bien la densidad de un cuerpo puede obtenerse indirectamente, a través de la masa y el volumen, también se puede medir de forma directa. Estos son los instrumentos de medición más comunes:
- Densímetro: Es un cilindro de vidrio hueco, con un bulbo en uno de sus extremos. Se utiliza para medir la densidad de líquidos. Para eso, se introduce verticalmente en el líquido y se deja en reposo. La densidad de la sustancia se obtiene a partir del nivel de hundimiento.
- Picnómetro: Es un instrumento de volumen conocido que se utiliza para medir la densidad de cuerpos sólidos, líquidos o gaseosos, mediante gravimetría.
- Balanza hidrostática: Se utiliza en líquidos y sólidos. Hoy en día son poco habituales. habituales.
- Balanza de Mohr: Es una variación de la balanza hidrostática. Se utiliza para medir la densidad de sustancias líquidas.
Densidad del agua
Para medir la densidad del agua, debemos tener en cuenta la temperatura, la presión y la salinidad, ya que son factores que alteran esta magnitud. La densidad del agua pura en condiciones ambientales normales es 1g/cm3. Pero si la temperatura crece, las moléculas de agua tenderán a moverse más rápidamente y alejarse, lo que provocará un decrecimiento de la densidad, ya que disminuirá la cantidad masa en un mismo volumen.
El agua alcanza su máxima densidad a una temperatura de 3,98°C. Por encima de ese valor, está claro que la densidad disminuirá, dado que las moléculas se moverán más rápido y se distanciarán. Sin embargo, lo mismo ocurrirá con una temperatura menor. Esto se debe a que, por debajo de 3.98ºC, el incremento de moléculas de agua formará polímeros hexagonales, disminuyendo la densidad del sistema. Esta variación tan particular de la densidad con la temperatura, explica por qué el hielo puede flotar en el agua.
Densidad del agua en los océanos
El agua de los océanos es la más densa de todas, debido a la cantidad de sal que contiene. Mientras que la densidad del agua pura es 1000 kg/m3, la de los océanos ronda los 1027 kg/m3. Además, en el caso de los mares y océanos, los factores que condicionan la densidad del agua (temperatura y presión), dependen a su vez de la latitud y la profundidad.
En los océanos, la densidad del agua aumenta a medida que disminuye la temperatura o se incrementa la salinidad. No obstante, la temperatura tiene un efecto mayor sobre la densidad del agua que la salinidad, es decir, el agua más salada podrá flotar sobre el agua más pura, solo si la primera es también un poco más cálida.
Las corrientes oceánicas internas dependen de la distribución de la presión, que, a su vez, depende de la variación de la densidad dentro del océano. Por este motivo, para entender el movimiento general de las aguas, hay que conocer cómo se distribuye la densidad.
- Variación con la latitud
A escala planetaria, la temperatura de la superficie del mar presenta una fuerte correlación con la latitud. A mayor cercanía del ecuador, más cálidas son las aguas. Además, desde los 40° de latitud hacia el ecuador, las temperaturas más bajas se ubican en los bordes orientales de los océanos, y las más altas en los bordes occidentales. En cambio, desde los 40° de latitud hacia los polos, las aguas más frías se encuentran en los bordes occidentales de los océanos. Esto se explica por la presencia de corrientes oceánicas superficiales, cuyo rol en la regulación del clima global es fundamental.
En cuanto a la salinidad, las zonas con temperaturas más altas se encuentran donde la cantidad de evaporación supera a la cantidad de precipitación. Esto se da en las regiones subtropicales, entre los 10 y 40° de latitud. Al norte y al sur de esta franja, las aguas tienen una menor salinidad, debido a que la precipitación es considerablemente superior, es decir, hay una mayorccantidad de agua dulce en el océano.
- Variación con la profundidad
La presión aumenta a medida que descendemos hacia el fondo del océano, al mismo tiempo que disminuye la temperatura. En consecuencia, la densidad del agua aumenta con la profundidad. No obstante, este decrecimiento no es lineal, ya que la temperatura no decae de forma homogénea.
En función de cómo cambia la temperatura con la profundidad (y por ende la densidad), se diferencian tres capas: capa de mezcla (capa superficial), termoclina (o picnoclina) y capa profunda.
La capa de mezcla es la menos profunda, hasta 200 metros desde la superficie en los trópicos y latitudes medias (con variaciones diarias y estacionales), y está fuertemente afectada por la atmósfera. En su interior, tanto la temperatura como la salinidad presentan muy poca variación con la profundidad. Por este motivo, en esta capa la densidad decrece solo en función del aumento de presión, que sucede mientras más nos sumergimos.
Debajo de la capa de mezcla, existe un tramo del océano donde la temperatura disminuye abruptamente con la profundidad (salvo en latitudes muy altas). Esta capa se conoce como «termoclina», debido a la fuerte correlación entre los cambios de temperatura y los cambios de densidad, y presenta el gradiente vertical de densidad más significativo de todo el océano.
Las aguas tropicales y subtropicales se dividen verticalmente en una capa superficial cálida (y menos densa) y otra profunda y fría (más densa), separadas por la termoclina (o picnoclina). En los polos, esta capa no existe, mientras que, en latitudes medias, el cambio entre la capa más cálida (superficial) y más fría (profunda) es mucho más gradual.
Por debajo de la termoclina encontramos la capa profunda, donde están las aguas más frías y densas del océano. Esta capa representa el 80% del volumen total del agua. En su interior, la circulación es netamente horizontal, por lo que el agua se desplaza entre puntos de igual densidad («circulación termohalina»).
Densidad de las masas de aire
Llamamos «densidad del aire» al cociente entre la masa y el volumen total de los gases que conforman la atmósfera. Su valor aumenta con la presión atmosférica y disminuye con la temperatura ambiente, pero también se ve afectado por la presencia de vapor de agua. El aire seco es más denso que el aire húmedo, ya que el vapor de agua es menos denso que el aire. La densidad del aire seco a una temperatura de 0°C y una presión de 1 atm es aproximadamente 1,29 kg/m3.
La densidad del aire puede obtenerse con la Ley de Gases Ideales, ya que esta describe la densidad en función de la presión y la temperatura (magnitudes que podemos medir directamente).
En general, la presión y la temperatura disminuyen con la altura en la troposfera, es decir, en los primeros 10 o 15 km de altura. A raíz de esto, si consideramos solamente el cambio de presión, el aire debería perder densidad con la altura. Por otra parte, si solo nos guiamos por el cambio en la temperatura, la densidad del aire debería aumentar conforme nos elevamos. En resumen, el cambio de la densidad con la altura dependerá de las características propias de la masa de aire.
Cuando la superficie se calienta por efecto de la radiación solar, el aire más cercano aumenta su temperatura, disminuye su densidad (se vuelve más liviano) y asciende. Este desplazamiento hacia arriba continuará siempre y cuando la temperatura del entorno sea menor a la de la parcela de aire que se eleva. Cuando estas son las condiciones dadas, decimos que hay «inestabilidad atmosférica».
En cambio, si la parcela de aire se eleva pero el aire del entorno es aún más cálido (pesa menos que la parcela), va a tender a desacelerarse y, paulatinamente, regresar al nivel desde donde comenzó el ascenso. Cuando este es el caso, decimos que hay «estabilidad atmosférica».
Podemos concluir que, para determinar la estabilidad atmosférica, se debe comparar la temperatura (densidad) de una parcela de aire que asciende, con la temperatura del entorno (del aire externo a la parcela) en cada uno de los niveles por los que se desplaza.
Cuando la estabilidad atmosférica es máxima, significa que en la capa de aire hay «inversión térmica». Es decir, que la temperatura aumenta con la altura, o bien, que la densidad disminuye. Esto ocurre cuando las capas más cercanas al suelo se enfrían más que las capas altas, algo que normalmente sucede por la noche, debido a la pérdida de calor por radiación infrarroja que experimenta la superficie.