밀도

밀도와 온도의 관계

밀도(密度, Density)는 단위 부피 당 질량을 나타내는 값이다. 부피가 일정할 때, 한 물체의 밀도가 클수록 그 물체의 질량은 크다. 한 물체의 평균 밀도는 그 전체 질량을 그 전체 부피로 나눈 것과 같다. 더 조밀한 물체(철과 같은)는 같은 질량의 덜 조밀한 물질(물과 같은)보다 부피가 적을 것이다.

부피가 V인 균일한 물질의 질량이 이라면, 이 물질의 밀도는 ρ = m / V . 여기서 ρ는 물체의 밀도 (킬로그램 매 세제곱미터), m는 물체의 전체 질량 (킬로그램), V는 물체의 전체 부피 (세제곱미터)이다.

밀도의 SI단위는 킬로그램 매 세제곱미터 (kg/m³)이다. CGS 단위계에서 밀도의 단위는 g/cm³인데, g/cm³로 나타낸 고체나 액체의 밀도가 보통 한 자리 혹은 두 자리 숫자이므로 이 단위가 더 널리 쓰인다. 예를 들어 물의 밀도는 1 g/cm³ = 1000 kg/m³이다.

물질이 균일하지 않을 경우, 부피 dV 안에서는 거의 균일하도록 충분히 작은 부피 dV 를 잡고 이 dV 안의 적은 질량을 dm이라고 하면, 밀도는 ρ(r) = dm / dV 로 주어진다.

개요

밀도란, 빽빽이 들어선 정도를 뜻하며, 물리에서는 물질이 포함하고 있는 원자나 분자의 조밀한 정도를 뜻한다. 즉, 어떤 물질의 단위 부피(volume)에 포함되어 있는 질량(mass)의 크기를 말하는 것으로 같은 의미로 물질의 고유한 질량을 그 물체가 공간적으로 차지하고 있는 부피로 나눈 값이다.

물을 제외한 물질의 밀도는, 그 물질의 상태변화에 따라 고체(固體)가 가장 크고 기체(氣體)가 가장 작은 값을 갖는다. 또한 같은 상태의 물질이라 하더라도 물질의 온도나 받고 있는 압력 등에 의해서 부피가 달라질 수 있으므로 온도가 낮거나 압력이 높을수록 밀도는 크다고 할 수 있다. 물의 경우 수소결합으로 인하여 고체가 액체보다 큰 부피를 지니므로 고체 상태의 밀도가 더 낮아지게 된다.

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 체적밀도를 가리킨다. 각종 물리량이나 수학량에 대해 사용되어, 질량·전기량 등의 분포를 나타낸다. 흔히 밀도라 하면 질량에 대한 밀도를 가리키는 것이 보통이다. 또 기하학적으로 점이 공간·면·선상에 분포되었을 때나 평행선이 면상에 분포되었을 때에도 이들의 밀도를 똑같이 정의한다.

밀도 단위

밀도의 SI 단위는 다음과 같다:

밀도 단위

 

밀도의 변화

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. 일반적으로, 고체 > 액체 > 기체 순으로 밀도가 크다. 그러나 물은 액체 > 고체 > 기체 순으로 밀도가 크다.

일반적으로 고체 상태의 물질은 분자들이 매우 빽빽하게 모여 있는 상태이므로 밀도가 크다. 액체 상태의 물질은 고체 상태에 비해 분자간의 거리가 멀기 때문에 좀 더 큰 부피를 차지하고, 고체보다 작은 밀도를 갖는다. 기체 상태의 물질은 분자간의 거리가 매우 멀어 같은 수의 분자에 대해 차지하는 부피가 고체나 액체에 비해 훨씬 크다. 그래서 밀도가 매우 작은 편이다.

액체와 고체의 밀도에 대한 압력과 온도의 영향은 크지 않다. 액체나 고체의 일반적인 압축률은 10⁻⁶ 바⁻¹ (1 바=0.1 MPa)이며, 일반적인 열 팽창은 10⁻⁵ K⁻¹이다.

대조적으로, 기체의 밀도는 압력에 크게 영향을 받는다. 보일의 법칙은 이상 기체의 밀도가 다음에 따라 주어진다고 말한다.

ρ = MP/RT

여기서 R은 일반 기체 상수, P는 압력, M은 질량, 그리고 T는 절대 온도이다.

이는 300 K와 1 바의 밀도가, 압력이 2 바로 증가되거나 온도가 150 K로 낮아짐에 따라 두 배가 된다는 것을 뜻한다.

참고자료

• 〈밀도〉, 《위키백과》
• 〈밀도〉, 《나무위키》
• 〈밀도〉, 《사이언스올》
• 〈밀도〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 질량
• 부피

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