1 개요
밀도(密度, density)는 단위 부피당 질량으로 물질마다 고유한 값을 지닌다. 기호 체계상, 물리학에서는 ρ(=m/V), 화학과 생명과학에서는 d(=w/V)로 쓴다. 단위는 kg/L, g/ml, g/cm3 등을 주로 사용한다.
2 상세
어떤 물리적 양이 공간(空間)·면(面) 및 선상(線上)에 분포하고 있을 때, 미소(微小)부분에 포함되는 양의 체적·면적 및 길이에 대한 비를 나타내는 양. 이때 체적·면·선에 관한 것을 각각 체적밀도·면밀도·선밀도로 구별하며, 일반적으로는 체적 밀도를 가리킨다. 각종 물리량이나 수학량에 대해 사용되어, 질량·전기량 등의 분포를 나타낸다. 물질의 밀도는 온도·압력 등에 따라 약간의 변화가 있다. 보통 밀도는 압력이나 온도가 바뀜에 따라 바뀐다. 압력이 증가하면 무조건 물질의 밀도가 증가한다. 온도가 증가하면 보통 밀도가 낮아지지만, 어느 정도 예외가 존재한다. 이를테면 물의 밀도는 녹는점 0 °C에서 4 °C 사이에서 증가하며, 비슷한 모습이 낮은 온도의 규소에서 발견된다.
2.1 통제변인이 부피인 경우
| m∝d |
같은 부피일 때, 밀도가 크면 당연히 질량도 크다. 예를 들어, 같은 크기의 강철 구슬과 나무 구슬의 무게를 재면 일반적으로 강철 구슬이 더 무거운데, 이는 강철이 나무보다 밀도가 크기 때문이다.
2.2 통제변인이 질량인 경우
| d∝1/V |
같은 질량일 때, 밀도가 크면 부피는 그에 반비례하게 된다. 가령, 온도와 압력, 질량이 같은 두 기체 A, B에 대하여 기체 A의 부피가 기체 B보다 클 경우, 기체 B의 밀도가 기체 A의 밀도보다 높다.
2.3 상태 변화에 따른 밀도
일반적으로, 고체 > 액체 > 기체 순으로 밀도가 크다. 그러나 물의 경우는 예외적으로 수소 결합에 의해 고체의 부피가 액체의 부피보다 커 액체 > 고체 >> 기체 순으로 밀도가 크다. 물론 항상 그런 것은 아니다. 액체 물의 밀도는 다른 물질과는 조금 달라서 온도와 항상 같은 관계를 가지지는 않고, 섭씨 4도에서 밀도가 가장 높고 그 이상의 온도에서는 다른 물질과 마찬가지로 온도가 높아질수록 밀도가 낮아진다. 때문에 이론적으로는 얼음의 온도를 엄청 낮추면 액체 물에 가라앉을 수도 있다. 고체나 액체의 경우 밀도는 온도나 압력이 변해도 거의 변화하지 않는다. 그러나 기체의 경우에는 온도가 올라갈수록 기체 분자의 운동이 활발해져 부피가 커지게 되고 따라서 밀도가 작아진다. 한편, 압력이 높아지게 되면 부피가 작아져 밀도가 커진다. 가스통에는 이렇게 압력을 가해 액화시킨 가스가 들어있다.
2.4 아보가드로 법칙
| d∝M |
아보가드로 법칙에서 분자량과 밀도가 비례한다. 기체방정식 PV=nRT에서 온도와 압력이 일정하다는 법칙의 조건 하에 두 기호 P, T와 기체 상수 R를 생략하면 V∝n이라는 비례식이 나온다. 이 때, n∝w/M와 V∝w/d에 의하여 w/d∝w/M으로 등치시켜 정리하면 d∝M로 나타낼 수 있다. 가령, 같은 온도와 압력에서 물의 밀도가 에탄올의 밀도보다 대략 2.56배 정도 낮다. (∵ M물=18, M에탄올=46)