Densidad del Agua, Peso Específico y Coeficientes de Expansión Térmica

Resumen

La densidad es la relación entre la masa y el volumen:

$\rho = \frac{m}{V}$

donde $\rho$ es la densidad, $m$ es la masa y $V$ es el volumen. La densidad se expresa comúnmente como g/cm^3, kg/m^3, lb/ft^3 o sl/ft^3.

El agua pura alcanza su máxima densidad, aproximadamente 1000 kg/m^3 o 1.940 slug/ft^3, a 4 degC (39.2 degF). Por encima de esta temperatura, la densidad disminuye a medida que el agua se expande.

El peso específico es la relación entre el peso y el volumen:

$\gamma = \frac{m g}{V} = \rho g$

donde $\gamma$ es el peso específico y $g$ es la aceleración de la gravedad. La gravedad estándar se toma normalmente como 9.80665 m/s^2 o 32.17405 ft/s^2.

Para el agua a 4 degC en unidades SI:

$\gamma = 1000 \; \text{kg/m}^3 \times 9.807 \; \text{m/s}^2 = 9807 \; \text{N/m}^3 = 9.807 \; \text{kN/m}^3$

En unidades de ingeniería imperiales, la densidad del agua a 39 degF es aproximadamente 1.940 sl/ft^3:

$\gamma = 1.940 \; \text{sl/ft}^3 \times 32.174 \; \text{ft/s}^2 = 62.4 \; \text{lbf/ft}^3$

Calculadora de Densidad del Agua en Línea

La página original incluye una calculadora para la densidad del agua líquida a una temperatura dada y reporta la densidad como g/cm^3, kg/m^3, lb/ft^3, lb/gal(US liq) y sl/ft^3. Los rangos de temperatura válidos originales son 0-370 degC, 32-700 degF, 273-645 K y 492-1160 degR.

La calculadora a continuación utiliza una aproximación de presión atmosférica estándar para el agua líquida cerca del rango líquido ordinario. Use los valores tabulados para trabajo de diseño, condiciones de saturación por encima de 100 degC, o presión elevada.

Variables

Gráficos de Densidad Interactivos

La página original contiene tres imágenes de densidad: densidad del agua versus temperatura en degC, densidad del agua versus temperatura en degF, y densidad versus temperatura a presión elevada. Los gráficos a continuación recrean esos conjuntos de datos de imagen a partir de los valores tabulados originales para que las curvas puedan inspeccionarse interactivamente.

Densidad, Peso Específico y Expansión Térmica en degC

Los valores de 0-100 degC están a 1 atm. Los valores por encima de 100 degC están a presión de saturación.

Densidad, Peso Específico y Expansión Térmica en °F

Los valores de 32-212 °F están a 1 atm. Los valores superiores a 212 °F están a presión de saturación.

Densidad y Peso Específico a 1000 psi

La tabla original proporciona la densidad y el peso específico del agua a 1000 psi (68.1 atm). A esta presión, el punto de ebullición anotado en la fuente es 284.8 °C (544.58 °F).

Densidad y Peso Específico a 10000 psi

Conversiones de Unidades y Ejemplos

El peso por galón estadounidense se basa en 7.48 gal/ft^3.

Un galón líquido estadounidense equivale a:

• 3.7854 l
• 0.8327 gal(UK)
• 0.8594 gal(US dry)
• 0.1074 bu(US dry)
• 0.4297 pk(US dry)
• 4 qt(US liq)
• 8 pt(US liq)
• 16 c(US)
• 32 gi(US liq)
• 128 fl oz(US)
• 1024 fl dr(US)
• 3.7854e-3 m^3
• 0.1337 ft^3
• 4.951e-3 yd^3

Conversión de densidad desde 1 kg/m^3:

El Ejemplo 2 de la página original convierte la densidad del agua a 20 °C:

$998.21 \; \text{kg/m}^3 \times 0.0005780 = 0.5797 \; \text{oz/in}^3$

El Ejemplo 3 calcula la masa de agua en un tanque. Un tanque con volumen 10 m^3 contiene agua caliente a 190 °F. De la tabla de °F, la densidad es 966.8 kg/m^3:

$10 \; \text{m}^3 \times 966.8 \; \text{kg/m}^3 = 9668 \; \text{kg}$

Imágenes de la Fuente Original

Las siguientes imágenes de la fuente original se conservan para evitar la pérdida de material de referencia visual. Cuando una imagen contiene datos en forma de gráfico o tabla, sus valores extraídos se representan en las tablas, calculadoras o gráficos interactivos de la página; las imágenes restantes se retienen como referencias visuales de la fuente.

Notas de Ingeniería

• La relación densidad-temperatura no es lineal. Por lo tanto, el coeficiente de expansión volumétrica no es constante en todo el rango de temperaturas.
• El agua es más densa cerca de los 4 °C. Esta anomalía es importante en hidrostática, convección natural, protección contra congelación y cálculos de tanques de almacenamiento.
• Por encima del punto de ebullición normal, las tablas a 1 atm ya no representan datos de agua líquida a presión atmosférica; la fuente original informa valores a la presión de saturación.
• La presión aumenta la densidad del agua líquida. El gráfico de presión y las tablas de alta presión muestran la diferencia entre 1 atm o saturación, 1000 psi y 10000 psi.
• En las tablas de unidades habituales de EE. UU., lbm/ft^3 y lbf/ft^3 son numéricamente similares bajo la gravedad estándar, pero la densidad y el peso específico son magnitudes físicas diferentes.

Referencias

• Engineering ToolBox - Water Density, Specific Weight and Thermal Expansion Coefficients
• Conjuntos de datos de imágenes originales restaurados como gráficos interactivos a partir de water_density_C.jpg, water_density_F.jpg y Water_density_temp_pressure_F.jpg.