比重とは？密度との違いや比重に単位がない理由をわかりやすく図で解説！

このページでは比重とは何か。また、密度との違いや比重に単位がない理由をわかりやすく図で解説しています。

１．比重と密度の違い

結論から言ってしまうと比重と密度の違いは、”ある物質が、基準となる物質と比べて何倍の重さであるかを示すもの(＝比重)”なのか、”物質がどれだけ詰まっているかの程度を示すもの(＝密度)”なのかです。

(厳密にいえば比重は、何倍の重さではなく何倍の密度であるかを示すものですが、「物質の密度の大きさ＝物質の重さ」と判断されるため、ここでは比重は何倍の重さであるかを示すものと表記)

上図のように、密度は「単位体積(1[cm³]、1[m³])あたりの質量([g]、[kg])」(＝質量÷体積)で求められ、比重は「ある物質の密度を、基準となる物質(＝標準物質)の密度で割る」(＝ある物質の密度÷基準となる物質の密度)ことで求められます。

(密度の単位は主に[g/cm³]や[kg/m³]が用いられ、比重に単位はない)

比重における基準となる物質というのは、ある物質の状態(固体・液体・気体)によって異なり、「固体・液体(ある物質)の場合 ⇒ 水(4℃、1気圧)(基準となる物質)」、「気体(ある物質)の場合 ⇒ 空気(0℃、1気圧)(基準となる物質)」が主に用いられます。

比重において基準となる物質(比較対象)が水と空気なのは、最も身近でイメージしやすい物質だからです。

4℃の水を用いることが多いのは、水の温度が4℃のときに密度がほぼ1[g/cm³]となって計算しやすいからです。

そして周囲の圧力によって、物質の体積も変化(これにより密度も変化)してしまい、条件が異なると正確に示すことができないため圧力も1気圧(＝地上における気圧の大きさ)と揃えられます。

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２．比重に単位がない理由

比重に単位がない理由は、”同じ単位同士の割り算をすることによって、単位が打ち消し合うから”です。

比重は「比重＝ある物質の密度[g/cm³] ÷ 基準となる物質の密度[g/cm³]」で表され、割り算をすることによって同じ単位同士であれば分子と分母で単位が打ち消し合うため、比重の単位はなくなります(密度の単位が[kg/m³]になっても考え方は同じ)。

では次は実際に物質の密度を計算して、その密度から物質の比重を求めていきます。

密度と比重を計算してみる

例えば、「質量が700[g]、体積が100[cm³]の物質(固体)」の密度[g/cm³]と比重(単位なし)を求める場合は以下のようになります。

上図のように、密度は「700[g](質量)÷100[cm³](体積)＝7[g/cm³](密度)」となり、比重は算出された密度を用いて「7[g/cm³](固体の物質)÷1[g/cm³](水の密度)＝7(比重)」となります。

(すでに物質の密度が分かっている場合は、比重の計算から行う)

「比重＝7」というのは、「質量700[g]、体積100[cm³]の物質(固体)は、基準となる物質である水(4℃、1気圧)の7倍重い(厳密には、7倍密度が大きい)」ということを意味しています。

３．「比重が1より小さい物質」「比重が1より大きい物質」の意味

「比重が1より小さい物質＝基準となる物質より密度が小さい(＝軽い)物質」で、反対に「比重が1より大きい物質＝基準となる物質より密度が大きい(＝重い)物質」ということを意味します。

なので「ある物質(固体・液体)の比重が1より小さい＝ある物質は、水(基準となる物質)より密度が小さい(＝軽い)」ということを示し、反対に「ある物質(固体・液体)の比重が1より大きい＝ある物質は、水(基準となる物質)より密度が大きい(＝重い)」ということを示します。

(ある物質が気体の場合は、基準となる物質は水ではなく空気、になる)

例えば、上図のように「氷(固体)の比重＝0.92 ⇒ 氷は水より密度が小さい(＝軽い)」、「鉄(固体)の比重＝7.87 ⇒ 鉄は水より密度が大きい(＝重い)」、「サラダ油(液体)の比重＝0.90 ⇒ サラダ油は水より密度が小さい(＝軽い)」、「二酸化炭素(気体)の比重＝1.53 ⇒ 二酸化炭素は空気より密度が大きい(＝重い)」、「水素(気体)の比重＝0.0695 ⇒ 水素は空気より密度が小さい(＝軽い)」ということです。

(つまり「氷の比重＝0.92 ⇒ 氷は、水の0.92倍の重さ(＝氷は水より軽い)」、「二酸化炭素の比重＝1.53 ⇒ 二酸化炭素は、空気の1.53倍の重さ(＝二酸化炭素は空気より重い)」、ということを示す)

また、「ある物質の比重が1より小さい＝ある物質は(基準となる物質より軽いため)、基準となる物質に浮く」、反対に「ある物質の比重が1より大きい＝ある物質は(基準となる物質より重いため)、基準となる物質に沈む」という物質の浮き沈みの指標としてもよく用いられます。

先ほどの例(氷・鉄・サラダ油・二酸化炭素・水素)の場合、上図のように「氷(固体)の比重＝0.92 ⇒ 水に浮く」、「鉄(固体)の比重＝7.87 ⇒ 水に沈む」、「サラダ油(液体)の比重＝0.90 ⇒ 水に浮く」、「二酸化炭素(気体)の比重＝1.53 ⇒ 空気に沈む」、「水素(気体)の比重＝0.0695 ⇒ 空気に浮く」ということです。

基準となる物質が水のときは、ある物質の密度と比重の数値は同じ(単位は違う)になる

基準となる物質が水(4℃、1気圧)のとき(＝ある物質が固体か液体のとき)は、ある物質の密度と比重の数値は同じ(単位は違う)になります。

どういうことなのか氷(密度＝0.92[g/cm³])と鉄(密度＝7.87[g/cm³])を例にして解説していきます。

上のように水(4℃、1気圧)の密度は約1.00[g/cm³]なので、氷の比重＝0.92(密度＝0.92[g/cm³])、鉄の比重＝7.87(密度＝7.87[g/cm³])となって、密度と比重の数値は同じ(単位は違う)になります。

(空気(0℃、1気圧)の密度は1.293[kg/m³]なので、ある物質(気体)の密度と比重の数値は同じにはならない)

このように基準となる物質が水のときは、ある物質の密度と比重の数値は同じになりますが、密度と比重は同じものというわけではないので注意が必要です。

以上が「比重とは？密度との違いや比重に単位がない理由をわかりやすく図で解説！」でした。

４．まとめ

これまで説明したことをまとめますと、

比重とは”ある物質が、基準となる物質と比べて何倍の重さ(厳密には、何倍の密度)であるかを示すもの”で、比重に単位はない。
比重において、「ある物質が固体・液体の場合 ⇒ 基準となる物質は水」、「ある物質が気体の場合 ⇒ 基準となる物質は空気」。
密度とは”物質がどれだけ詰まっているかの程度を示すもの”で、密度の単位は主に[g/cm³]や[kg/m³]が用いられる。
比重に単位がない理由は、同じ単位同士の割り算をすることによって、単位が打ち消し合うから。
「比重が1より小さい物質＝基準となる物質より密度が小さい(＝軽い)物質」で、反対に「比重が1より大きい物質＝基準となる物質より密度が大きい(＝重い)物質」を意味する。