Densidade

O que é a densidade?

A densidade (ou massa volúmica) é uma grandeza escalar que mede a quantidade de massa presente num determinado volume de uma substância. O símbolo mais comumente utilizado para a densidade é a letra grega rho (ρ) e a sua unidade do Sistema Internacional, o kg/m³, sendo também comum que seja expressa em g/cm³.

A densidade é uma propriedade intrínseca da matéria, dado que não depende da quantidade de substância considerada.

Além de depender da massa e do volume, a densidade varia com a pressão e a temperatura, bem como com as mudanças de estado da matéria. Em geral, quando a pressão aumenta, o mesmo sucede com a densidade, uma vez que passamos a ter maior massa na mesma quantidade de volume; em contrapartida, um aumento da temperatura implica uma redução da densidade.

Estas variações da densidade com a pressão e a temperatura são marcas características do comportamento dos gases, que também se verificam, embora em menor escala, no caso dos sólidos e dos líquidos.

Tipos de densidade

É possível definir vários tipos de densidade:

• Densidade absoluta. Expressa a relação entre a massa e o volume de uma determinada substância ou corpo. Expressa-se usualmente em kg/m³ ou g/cm³.
• Densidade relativa. É a relação existente entre a densidade de uma substância e a de outra substância de referência. Trata-se de um valor adimensional. Para sólidos e líquidos, é comum utilizar-se como referência a densidade da água a 1 atm de pressão e 4 °C de temperatura. No caso dos gases, a referência habitual é a densidade do ar à pressão de 1 atm e 0 °C de temperatura.
• Densidade média e em cada ponto de sistemas heterogéneos. Existem diferentes densidades em diferentes partes de um sistema heterogéneo. Assim, é possível calcular a densidade média deste, dividindo a sua massa total pelo seu volume total, ao passo que, para aferir a densidade dos seus diferentes pontos, será necessário calcular a densidade de um pequeno volume em torno desse ponto do sistema.
• Densidade aparente. Aplica-se a materiais porosos, que podem apresentar ar ou outras substâncias entre os seus poros. Na hora de a calcular, é necessário ter em conta a massa da substância nos poros, assim como o volume ocupado por esta. Assim, a densidade total de um volume de material poroso não compactado é menor do que a densidade desse mesmo material, compactado. Ou seja, esta densidade depende do grau de compactação do material. Esta é uma medida comumente utilizada em solos.

Medição da densidade

A densidade pode ser medida de forma direta ou indireta (a partir das medidas de massa e volume).

A medição da massa é realizada com recurso a uma balança, ao passo que o volume pode ser obtido, por exemplo, determinando a forma do objeto e medindo as suas dimensões ou por deslocamento de um líquido, entre outros processos possíveis.

Os instrumentos mais frequentemente utilizados para a medição direta da densidade são:

• Densímetro. Permite a medição direta da densidade de um líquido. Consiste num cilindro de vidro oco, com um peso numa das extremidades, que se introduz verticalmente no líquido em análise até flutuar livremente. A medida da densidade do líquida é feita em função da parte imersa do densímetro.
• Picnómetro. Permite medir a densidade de sólidos, líquidos e gases. Trata-se de um instrumento de volume conhecido que permite conhecer a densidade por gravimetria, a uma determinada temperatura.
• Balança hidrostática. Apenas pode ser utilizada em sólidos e líquidos. Hoje em dia, são menos utilizadas do que os densímetros e os picnómetros.
• Balança de Mohr. Trata-se de um tipo de balança hidrostática, utilizada para medir a densidade de líquidos.

A densidade da água

A densidade da água é de aproximadamente 1 g/cm³. Não obstante, esta depende em grande medida de fatores como a temperatura, a pressão e a salinidade. Por exemplo, o aumento da salinidade aumenta a densidade.

Regra geral, a densidade aumenta à medida que a temperatura diminui. Com a subida da temperatura, os átomos e moléculas de água movem-se mais, afastando-se. Isto faz com que exista menos massa num mesmo volume e, por conseguinte, que a densidade seja menor.

Todavia, no caso da água, a densidade máxima é alcançada a uma temperatura de 3,98 °C. Abaixo desta temperatura, o aumento do número de moléculas de água por unidade de volume leva à formação de estruturas hexagonais, reduzindo a densidade. Porém, acima desta temperatura, as moléculas de água movem-se cada vez mais, afastando-se umas das outras, o que também leva a uma redução de densidade.

Esta variação anómala da densidade da água com a temperatura é responsável pelo facto de o gelo flutuar em água líquida, ao ser de menor densidade do que esta. Isto é vital para a manutenção da biosfera marinha, dado que o gelo da superfície atua como isolante térmico da água que se encontra sob ele, fazendo com que esta consiga manter temperaturas de 4 ou 5 °C, suficientes para a sobrevivência de certas espécies.

O comportamento da densidade dos oceanos

A densidade da água pura é de 1000 kg/m³. Porém, a água dos oceanos tem diluída uma quantidade apreciável de sal, que a torna mais densa, apresentando cerca de 1027 kg/m³.

Não obstante, a densidade da água dos mares e oceanos depende da temperatura, da salinidade e da pressão. Por sua vez, estes três fatores dependem da latitude e da profundidade do mar.

A água dos oceanos torna-se mais densa à medida que a sua temperatura diminui e/ou aumenta a sua salinidade. Porém, a temperatura tem maior influência sobre a densidade da água do que a salinidade, de tal forma que é possível a uma massa de água mais salgada flutuar sobre outra menos salgada, desde que a camada de maior salinidade esteja um pouco mais quente do que a outra.

A distribuição das correntes oceânicas depende da distribuição da pressão, que por sua vez depende da variação da densidade no interior do oceano. Por conseguinte, para se conhecer este movimento da água, é necessário saber como se distribui a sua densidade.

• Variação com a latitude

À escala planetária, a temperatura da superfície do mar está fortemente correlacionada com a latitude, devido ao efeito da insolação.

As temperaturas encontram-se distribuídas por zonas, com as mais quentes a surgirem próximo do equador, decrescendo em direção aos polos. De 40° de latitude até ao equador, as temperaturas mais frias encontram-se na parte oriental dos oceanos e as mais quentes, na ocidental. A partir de 40° e em direção aos polos, as águas mais frias tendem a encontrar-se na parte ocidental. Isto deve-se às correntes oceânicas, que desempenham um papel fundamental na regulação do clima à escala global.

No que diz respeito à salinidade, as zonas com valores mais elevados correspondem àquelas onde a evaporação excede a precipitação, o que ocorre nas regiões subtropicais (entre 10 e 40° de latitude, aproximadamente). Abaixo e acima destas regiões, a água da superfície é menos salgada devido a um excesso de precipitação (sob a forma de água doce).

Até agora, explicámos o comportamento da densidade da camada mais superficial da água, que é diretamente influenciada pelo estado da atmosfera. Porém, como varia a densidade com a profundidade dos oceanos?

• Variação com a profundidade

À medida que descemos em direção ao fundo do oceano, a pressão aumenta e a temperatura diminui, pelo que a densidade aumenta com a profundidade.

Mas este aumento de densidade não é linear, dado que a temperatura não desce de forma homogénea. Assim, podemos distinguir três camadas nas águas oceânicas, em função do comportamento da sua temperatura e, consequentemente, da densidade: a camada de mistura (superfície), a termoclina ou picnoclina, e a camada profunda.

A camada de mistura tem entre 10 e 200 metros de profundidade nos trópicos e latitudes médias, apresentando variações diárias e sazonais. É condicionada pelo comportamento da atmosfera e a sua temperatura e salinidade pouco variam com a profundidade. Assim, nesta camada, a densidade varia apenas em função da pressão, mais elevada a maior profundidade.

Abaixo da camada de mistura, surge uma franja onde a temperatura decresce rapidamente com a profundidade, exceto nas latitudes mais elevadas: a termoclina. Dada a relação entre temperatura e densidade, a termoclina coincide com a região onde se verifica o maior gradiente de densidade: a picnoclina.

Os oceanos tropicais e subtropicais apresentam uma divisão permanente entre uma camada de água, quente e menos densa, separada de outra, mais densa e profunda, graças à termoclina (picnoclina). Esta camada não existe nos polos e, nas latitudes médias, esta separação é menos vincada.

Sob este forte gradiente, encontramos a camada oceânica profunda, onde as águas são mais frias e densas, e que representa 80% do volume total dos oceanos. Estas águas profundas circulam de forma horizontal, isto é, a água desloca-se em camadas de igual densidade. É a chamada circulação termoalina.

A densidade das massas de ar

A densidade do ar é a massa por unidade de volume de gases atmosféricos, e depende da temperatura e da pressão atmosférica. A densidade é diretamente proporcional à pressão atmosférica e inversamente proporcional à temperatura. Ou seja, quanto maior for a pressão, maior será a densidade, e quanto maior for a temperatura, menor a densidade.

Esta densidade não é afetada apenas pela pressão e temperatura, mas também pela quantidade de vapor de água na atmosfera. O ar húmido é menos denso do que o ar seco, uma vez que o vapor de água tem uma densidade inferior à do ar seco.

A densidade do ar seco a 0°C e 1 atm é de 1,29 kg/m³. O padrão IUPAC de pressão e temperatura (100 kPa e 0°C) utiliza uma densidade para o ar seco de 1,2754 kg/m³.

Para calcular la densidade do ar, podemos aplicar a Lei dos Gases Ideais, que expressa a densidade em função da pressão e da temperatura.

Em geral, tanto a pressão como a temperatura diminuem com a altitude na troposfera (nos primeiros 10 a 15 km da atmosfera). Assim, considerando apenas a pressão, seria de esperar uma diminuição da densidade com a altitude; em contrapartida, considerando apenas a temperatura, seria de esperar um aumento de densidade com a altitude.

Não obstante, as características próprias de cada massa de ar fazem com que isto não seja sempre assim.

Com o aquecimento da superfície pela luz solar, o ar mais próximo do solo aquece e começa a subir (a sua densidade diminui). Esta subida continuará enquanto o ar que rodeia esta massa ascendente estiver a uma temperatura mais baixa (logo, com maior densidade). Quando esta subida é possível, estamos perante instabilidade atmosférica.

Em contrapartida, se uma massa de ar, ao subir, se encontrar com ar envolvente mais quente (menos denso), terá então tendência a descer até ao nível de que começou a subir. Neste caso, estaremos perante estabilidade atmosférica.

A estabilidade numa camada atmosférica é portanto determinada comparando a temperatura (densidade) de uma massa de ar em movimento vertical nessa camada com a do ar que a envolve em cada um dos níveis por onde passa.

É em condições de máxima estabilidade atmosférica que se dão os fenómenos de inversão térmica. Aqui, a temperatura aumenta com a altitude (a densidade diminui) porque as camadas mais próximas do solo arrefecem mais durante a noite do que as camadas mais altas, dada a rápida perda de calor do solo por radiação.

Esta inversão térmica implica que o ar frio, mais denso, fique retido junto da superfície, o que pode levar a graves episódios de poluição atmosférica.