Diferencia entre la densidad y la gravedad específica

La densidad y la gravedad específica son dos propiedades de la materia que están muy relacionadas entre sí; sin embargo, no son lo mismo. Ambas son propiedades intensivas relacionadas de una u otra forma con la masa y el volumen de las sustancias, y ambas pueden utilizarse para predecir la flotabilidad de distintos cuerpos en distintos fluidos, pero también tienen diferencias que hacen el uso de una más práctico que el de la otra en determinadas situaciones.

A continuación, veremos qué son la densidad y la gravedad específica y veremos las características más relevantes que distinguen una de la otra.

¿Qué es la densidad?

La densidad de un material es la masa del mismo por unidad de volumen. Se trata de una propiedad intensiva característica de cada material. En muchos campos del conocimiento la densidad se representa con la letra d; sin embargo, en algunas ciencias naturales como la física y la química, así como en la mayoría de las ingenierías, se representa por medio del símbolo ρ (la letra griega rho minúscula).

La densidad se calcula por medio de la siguiente fórmula:

donde ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen del material u objeto.

Unidades de la densidad

Las unidades de la densidad son [m]/[V] o, lo que es lo mismo, [m]/[L]³. Algunos ejemplos de unidades de densidad en distintos sistemas de unidades son:

Tipo de escala

La densidad es una propiedad que se mide en una escala absoluta. Es decir que su valor va desde 0 en adelante, independientemente de las unidades que se utilicen, y su valor solo depende del material en cuestión, no de ningún otro material o sistema de referencia.

Dependencia de la densidad con la temperatura

La masa de un cuerpo es independiente de la temperatura, pero no así su volumen. La mayoría de materiales se expanden con un aumento de la temperatura. Cuando esto sucede, la densidad, que está dividida por el volumen, disminuye.

Existen, sin embargo, ejemplos de sustancias que se contraen con le temperatura. Tal es el caso del agua. En general, la densidad del agua disminuye al aumentar la temperatura y aumenta al disminuirla. Sin embargo, al enfriar el agua, justo antes del punto de congelación, la densidad disminuye en lugar de aumentar. Esto explica por qué el hielo, el cual flota sobre el agua, es menos denso que el agua.

Instrumento de medida

La densidad de los líquidos se determina utilizando un instrumento llamado picnómetro y con una balanza analítica. El picnómetro permite medir volúmenes con un altísimo grado de exactitud, mientras que la diferencia entre la masa llena y vacía determinadas con el uso de una balanza analítica permite medir la masa con igual precisión y exactitud.

Usos de la densidad

La densidad se utiliza para distintos tipos de cálculos. Por un lado, permite determinar volúmenes o masas de cualquier sustancia, dado que conozcamos la masa o el volumen respectivamente.

Es útil para identificar o diferenciar distintos materiales. Al ser una propiedad característica de la materia, cada material tiene una densidad particular a una temperatura dada.

Es de gran importancia en la mecánica de fluidos ya que la diferencia entre las densidades de un objeto y la de un fluido determina la flotabilidad del primero en el segundo.

¿Qué es la gravedad específica?

La gravedad específica, también llamada densidad relativa, es el cociente entre la densidad de una sustancia o un material y la densidad de otro material de referencia en las mismas condiciones experimentales de temperatura y presión. Se suele representar con el símbolo SG (las siglas de gravedad específica en inglés, specific gravity) y, al igual que la densidad, es una cantidad característica de un material a una temperatura dada.

La densidad relativa o la gravedad específica se calcula de forma distinta según se trate de materia condensada (sólidos o líquidos) o de gases. En cualquiera de los casos, una gravedad específica menos que 1 implica que la sustancia flotará sobre la sustancia de referencia, mientras que una gravedad específica mayor que uno indica que se hundirá.

Gravedad específica de sólidos o líquidos

Cuando el material en cuestión es un sólido o un líquido, se toma como referencia la densidad del agua líquida, en general a la temperatura a la que su densidad es máxima que corresponde a 4°C. A esta temperatura, la densidad del agua es de 1.000 kg/m³. En este caso, la gravedad específica viene dada por la siguiente expresión:

Gravedad específica de gases

Por otro lado, cuando el material cuya densidad relativa se está midiendo o determinando es un gas, el material de referencia no es el agua sino el aire a las mismas condiciones dadas de temperatura y presión. En otras palabras, en este caso, la gravedad específica viene dada por:

Unidades de la gravedad específica

El rasgo más importante de la gravedad específica en comparación con la densidad es el hecho de que, al ser una cantidad que se obtiene dividiendo dos densidades, la gravedad específica no posee unidades. En otras palabras, es una cantidad adimensional. Esto significa que es un número puro cuyo valor será siempre el mismo para una sustancia dada a una temperatura y presión dadas, sin importar de qué sistema de unidades se utilizó para expresar las densidades originales.

En otras palabras, la densidad relativa proporciona una escala de medida de la densidad que es independiente del sistema de unidades en el que se estén trabajando todos los demás cálculos. Esto la hace particularmente útil para comunicarse entre equipos de ingenieros que suelen utilizar sistemas de unidades distintos al SI, con científicos o especialistas de otros campos que acostumbran a utilizar bien sea el sistema métrico o el SI.

Tipo de escala

Al tratarse del cociente entre la densidad de una sustancia y la densidad de una sustancia de referencia, la gravedad específica corresponde a una cantidad relativa y no absoluta. En otras palabras, al decir que la gravedad específica del mercurio, por ejemplo, es de 13,59, estamos diciendo en realidad que su densidad es 13,59 veces mayor que la densidad del agua. Nótese que es una densidad relativa a la densidad del agua, por lo que, sin conocer esta última, no podemos conocer la densidad real del mercurio.

Valores de las densidades de referencia

Como se puede ver, el cálculo de la gravedad específica depende de la densidad del material de referencia, y esta a su vez, depende de las condiciones de temperatura y presión a las que se esté midiendo o calculando la gravedad específica. En el caso de sólido y líquidos, siempre que no se indique una temperatura específica, se asume que dicha SG está establecida en función de la densidad del agua a 4°C. En el caso de los gases, si no es especifican las condiciones de temperatura y presión, se asume la densidad en condiciones normales de temperatura y presión, o NTP, correspondientes a una temperatura de 20 °C y una presión de 1 atm, en cuyo caso el aire (seco) tiene una densidad de 1,204 kg/m³.

En la siguiente tabla, se presentan estos valores de referencia en distintas unidades:

Dependencia de la gravedad específica con la temperatura

Al estar en función de dos densidades, las cuales varían con la temperatura, la densidad relativa o gravedad específica también varía en función de dicha propiedad.

Sin embargo, en general la variación resulta menor que la variación de la densidad absoluta. Esto se debe a que, como se mencionó anteriormente, la densidad de la mayoría de las sustancias disminuye al aumentar la temperatura, y esto incluye al agua para la mayoría de las temperaturas que no estén entre 0 y 8 °C. Entonces, cuando aumenta la temperatura disminuye tanto la densidad del material en cuestión, como la del material de referencia. Esto significa que el cambio en el numerador compensa parcialmente el cambio en el denominador, disminuyendo el efecto de la temperatura sobre la gravedad específica.

Instrumento de medida

La gravedad específica se mide experimentalmente utilizando un instrumento denominado hidrómetro. Este consiste en un bulbo pesado provisto de un tallo el cual posee una escala calibrada según la sustancia de referencia, en la mayoría de los casos agua. Al introducir el bulbo en un líquido, este se hundirá hasta que la fuerza boyante contrarreste el peso del hidrómetro. La lectura se hace en la escala en el punto que sobresale de la superficie del líquido.

Usos de la gravedad específica

Una utilidad inmediata de la gravedad específica es que su valor inmediatamente indica si el material flotará o no en el agua o en el aire, según se trate de sólidos y líquidos, o gases, respectivamente. En cualquiera de los casos, si la densidad relativa es menor que la unidad, el material será menos denso y flotará y viceversa.

Otra aplicación muy común de la SG es su relación con la concentración de las disoluciones. Dependiendo de las interacciones entre soluto y solvente, la densidad de una disolución puede ser distinta a la del agua pura, y, en general, esta densidad varía como función de la concentración. Así, la medición de la SG utilizando un hidrómetro permite determinar la concentración de distintas disoluciones.

Algunos ejemplos del uso de la SG con este fin son:

• La evaluación de combustibles.
• La determinación del contenido de alcohol durante la fermentación de mostos para la elaboración de cervezas, vinos y otras bebidas alcohólicas.
• La evaluación de la concentración de ácido sulfúrico en las baterías o acumuladores de plomo/ácido sulfúrico comúnmente utilizados en automóviles a gasolina, etc.

Cómo determinar la densidad a partir de la gravedad específica

La gravedad específica puede convertirse fácilmente a densidad absoluta simplemente multiplicando la primera por la densidad de la sustancia de referencia en las unidades requeridas:

O, en el caso de gases:

En cualquiera de los dos casos, se suele contar con tablas de densidades muy precisas a una gran variedad de valores de presión y temperatura.

Resumen de diferencias entre densidad y gravedad específica

La siguiente tabla resume las diferencias más importantes entre la densidad y la gravedad específica:

Referencias

Density vs. Specific Weight and Specific Gravity. (s. f.). The Engineering Toolbox. https://www.engineeringtoolbox.com/density-specific-weight-gravity-d_290.html

Diferencia entre Densidad y Gravedad Específica. (2019, 5 junio). Diferenciario. https://diferenciario.com/densidad-y-gravedad-especifica/

Difference Between Density and Specific Gravity. (2021, 22 marzo). BYJUS. https://byjus.com/physics/difference-between-density-and-specific-gravity/

Giner, S. (2020, 18 agosto). Hidrómetro o densímetro. 2D2Dspuma. https://www.2d2dspuma.com/blog/que-es/hidrometro/

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