Masse volumique – Cours et exercices corrigés TD TP EXAMENS
Définition de la masse volumique
La masse volumique d’une espèce chimique correspond à la masse par une unité de volume de cette espèce. Par exemple, suivant l’unité choisie, la masse volumique de l’eau correspond à la masse d’eau dans un litre d’eau, un mètre cube d’eau, un centimètre cube d’eau etc.
Variations de la masse volumique
La masse volumique d’une substance dépend des conditions dans lesquelles elle se trouve, elle varie en fonction de la température et de la pression, surtout pour les gaz, mais c’est aussi vrai pour les liquides et les solides.
Calcul de la masse volumique
La masse volumique (ρ) d’une espèce chimique peut être calculée en divisant la masse (m) de cette espèce chimique par le volume (V) qu’elle occupe ce qui peut se traduire par la formule :
ρ = m/V
Exemple :
Nous avons une substance avec une masse m = 4kg et un volume de V = 500 dm3. Quelle est sa masse volumique ?
Conversion du volume en m3
V = 500 dm3 = 0,5 m3
Calcul de la masse_volumique ρ
On sait que : ρ = m/V
Ainsi, ici, ρ = = 8 kg.m-3
Unités de la masse_volumique
Pour les liquides et les gaz la masse volumique est souvent exprimée en gramme par litre (unité notée g/L ou g.L-1). Pour les solides les unités utilisées sont souvent le gramme par décimètre cube (g/dm3 ou g.dm-3) ou le kilogramme par mètre cube (kg/m3 ou kg.m-3)
Conversion de la masse_volumique
La masse volumique est une grandeur composée, elle définit comme le rapport de deux autres grandeurs, et elle ne peut donc par être convertie directement comme on pourrait le faire pour des unités de bas telles que le mètre, le gramme ou le litre pour lesquelles on peut utiliser un tableau de conversion.
La méthode universelle de conversion consiste à décomposer la masse volumique comme un rapport d’une masse et d’un volume (même si aucune valeur n’est donnée et même si l’on ne se réfère à aucun échantillon de matière en particulier). Une fois ceci fait on convertit la masse dans sa nouvelle unité (en suivant la méthode habituelle de conversion de masse) puis le volume. Il ne reste plus qu’à calculer à nouveau la masse volumique avec les nouvelles valeurs de masse et de volume, le résultat correspond à l’expression de la masse volumique dans sa nouvelle unité.
Calculer la masse (m) d’une substance à partir de sa masse_volumique (ρ)
Si l’on modifie la relation précédente qui exprimait donc la masse volumique en fonction du volume et de la masse, on peut alors calculer la masse :
ρ = m/V ⬄ m = ρ x V
- m en kilogramme (kg)
- V en mètre cube (m3)
- ρ en kilogramme par mètre cube (kg.m-3)
Exemple :
Un récipient contient V = 200 mL d’éthanol dont la masse volumique de
ρ = 789 kg.m-3 . Quelle est la masse de l’éthanol ?
• Conversion du volume en m3
V = 200 mL = 0,2 L
Or 1 L = 1 dm3 Donc V = 0,2 L = 0,2 dm3 = 0,0002 m3
• Calcul de la masse m
On sait que : m = ρ x V
Ainsi, ici, on peut écrire :
- m = 789 x 0,0002
- m = 0,1578 kg
- m = 157,8 g
Le récipient contient donc 157,8 g d’éthanol.
Calculer le volume d’une substance à partir de sa masse_volumique
Pour calculer le volume d’une substance à partir de sa masse volumique, il suffit de reprendre la relation précédente et par un simple rapport de proportionnalité on obtient :
Exemple
Un morceau d’aluminium a une masse de 972 g et une masse volumique de 2700 kg/m3. Quelle est alors le volume du morceau d’aluminium ?
On a donc m = 972 g et ρ = 2700 kg.m3
La masse donnée doit être convertie en kg : m = 972 g = 0,972 kg
On utilise la relation V = m/ρ
Ainsi, on peut écrire :
- V = 0,972/27000
- V = 3,6 x 10-4 m3
- V = 0,36 m3
Table des masses volumiques
Masse volumique de quelques matériaux à 20°C sous la pression atmosphérique normale
| Matériau | Masse_volumique en kg/m3 |
| Acétone | 790 |
| Acide acétique | 1049 |
| Azote à -195°C | 810 |
| Brome à 0°C | 3 087 |
| Eau | 1000 |
| Eau de mer | 1030 |
| Essence | 750 |
| Éthanol | 789 |
| Éther | 710 |
| Gasoil | 850 |
| Glycérine | 1260 |
| Hélium à -269°C | 150 |
| Huile d’olives | 920 |
| Hydrogène à -252°C | 70 |
| Lait | 1030 |
| Oxygène à -184°C | 1140 |
| Acétylène à 0°C | 1,170 |
| Air à 0°C | 1,293 |
| Air à 20°C | 1,204 |
| Ammoniac 0°C | 0.77 |
| Argon à 0°C | 1,7832 |
| Diazote à 0°C | 1,250 51 |
| Isobutane à 0°C | 2,670 |
| Butane à 0°C | 2,700 |
| Dioxyde de carbone à 0°C | 1,976 9 |
| Vapeur d’eau à 100°C à 0°C | 0,5977 |
| Krypton à 0°C | 3,74 |
| Dihydrogène à 0°C | 0,0899 |
| Néon à 0°C | 0,90 |
| Monoxyde de carbone à 0°C | 1,250 |
| Ozone à 0°C | 2,14 |
| Propane à 0°C | 2,01 |
| Radon à 0°C | 9,73 |
| Acier | 7 850 |
| Fonte | 6 800 – 7 400 |
| Aluminium | 2 700 |
| Argent | 10 500 |
| Bronze | 8 400 – 9 200 |
| Carbone (diamant) | 3 508 |
| Carbone (graphite) | 2 250 |
| Cuivre | 8 920 |
| Fer | 7 860 |
| Duralumin | 2 900 |
| Iridium | 22 640 |
| Laiton | 7 300 – 8 400 |
| Lithium | 530 |
| Magnésium | 1 750 |
| Mercure | 13 545,88 |
| Molybdène | 10 200 |
| Nickel | 8 900 |
| Or | 19 300 |
| Osmium | 22 610 |
| Palladium | 12 000 |
| Platine | 21 450 |
| Plomb | 11 350 |
| Potassium | 850 |
| Tantale | 16 600 |
| Titane | 4 500 |
| Tungstène | 19 300 |
| Uranium | 18 700 |
| Vanadium | 6 100 |
| Zinc | 7 150 |
| Polypropylène | 850 – 920 |
| Polypropylène basse densité | 890 – 930 |
| Polypropylène haute densité | 940 – 980 |
| Abs | 1 040 – 1060 |
| Polystyrène | 1 040 – 1 060 |
| Nylon 6,6 | 1 120 – 1 160 |
| Polyacrylate de méthyle | 1 160 – 1 200 |
| PVC + plastifiant | 1 190 – 1 350 |
| Polyéthylène/téréphtalate | 1 380 – 1 410 |
| Pvc | 1 380 – 1 410 |
| Bakélite | 1 350 – 1 400 |
| Acajou | 700 |
| Buis | 910 – 1 320 |
| Cèdre | 490 |
| Chêne | 610 – 980 |
| Chêne (cœur) | 1 170 |
| Ébène | 1 150 |
| Frêne | 840 |
| Hêtre | 800 |
| Liège | 240 |
| Peuplier | 390 |
| Pin | 740 |
| Platane | 650 |
| Sapin | 450 |
| Teck | 860 |
| Ardoise | 2 700 – 2 800 |
| Amiante | 2 500 |
| Argile | 1 700 |
| Béton | 2 300 (armé 2 400) |
| Calcaire | 2 600 – 2 700 |
| Craie | 1 250 |
| Granite | 2 600 – 2 700 |
| Grès | 2 600 |
| Kaolin | 2 260 |
| Marbre | 2 650 – 2 750 |
| Quartz | 2 650 |
| Pierre ponce | 910 |
| Porcelaine | 2 500 |
| Sable | 1 600 |
| Terre végétale | 1 250 |
| Verre à vitres | 2 530 |
Exercices corrigés
Exercice N°1
Calculer en g/cm3 la masse volumique d’un objet sachant qu’il pèse 52 dag et que son volume vaut 0,28 dL.
Solution:
- m = 52 dag = 520 g
- V = 0,28 dL = 28 cm³
- ρ = m / V = 520 / 28 = 18,57 g/cm³
Exercice N°2
- Calculer en g/cm³ la masse volumique d’un morceau de bois de 9,7 grammes sachant que son volume vaut 10 cm³.
- La masse volumique du morceau de bois est-elle plus petite que celle du pétrole sachant que la masse volumique du pétrole est égale à 0.8 kg/L ? Où le morceau de bois va-t-il se placer par rapport au pétrole ?
Solution :
- Calcul de la masse volumique d’un morceau de bois
- m = 9,7 g
- V = 10 cm³
- ρ = m / V = 9,7 / 10 = 0,97 g/cm³
- La masse volumique du morceau de bois = 0,97 g/cm³
Masse volumique du pétrole = 0,8 kg/L
Conversion d’unités :
Convertissons l’unité de la masse volumique du bois en celle du pétrole.
0,97 g pour 1 cm³ donc 970 g pour 1 L
970 g = 0,97 kg
- Bois : ρ = 0,97 kg/L
- Pétrole : ρ = 0,8 kg/L
Conclusion : la masse volumique du bois est plus grande que celle du pétrole donc le bois va couler.
Exercice N°3
Lors d’une enquête, les inspecteurs ont recueilli un échantillon de 5 cm3 d’un liquide. Après l’avoir pesé (40 dg), ils savent dire de quel liquide il s’agit.
| Substance | Masse_volumique (kg/m3) |
| Alcool | 791 |
| Pétrole | 800 |
| Huile | 918 |
| Eau pure | 1000 |
Quel calcul ont-ils dû réaliser ? Quelle est la substance de l’échantillon ?
Solution :
- V = 5 cm³
- m = 40 dg
- ρ = m / V = 40 / 5 = 8 dg / cm³
Conversion en kg/m³ : 800 kg / m³
La substance est du pétrole.
Exercice N°4
J’ai deux ballons de baudruche, un que j’ai gonflé moi-même et un que j’ai gonflé avec de l’hélium.
| Gaz | Masse_volumique (kg/m3) |
| Air | 1,225 |
| Hélium | 0,169 |
Que va-t-il se produire lorsque je vais lâcher les deux ballons ? Justifie tes propos.
Solution :
Le ballon gonflé à l’air va rester au sol car il a la même masse volumique que le gaz qui l’entoure (l’air).
Le ballon gonflé à l’hélium va monter car il a une masse volumique plus petite que le gaz qui l’entoure (l’air).
