このページでは密度とは何か。また、「密度と重さの関係」と「密度と浮き沈みの関係」をわかりやすく図で解説しています。

結論から言ってしまうと密度とは、”物質がどれだけ詰まっているかの程度を示すもの”になります。

密度は「単位体積(1[cm³]、1[m³])あたりの質量([g]、[kg])」(密度＝質量÷体積)で表され、単位は主に[g/cm³](グラム毎立方センチメートル)や[kg/m³](キログラム毎立方メートル)が用いられます。

例えば、上図のように「質量が700[g]、体積が100[cm³]の物質」の密度[g/cm³]を求める場合、「700[g](質量) ÷ 100[cm³](体積)＝7[g/cm³](密度)」と計算することで密度は表されます。

(ある物質の密度＝7[g/cm³]というのは、ある物質は体積1[cm³](＝1cm×1cm×1cm)あたり7[g]の質量がある、ということを意味している)

また、水・サラダ油・鉄・銅で密度を比較してみると、「水の密度＝1.00[g/cm³]」、「サラダ油の密度＝0.90[g/cm³]」、「鉄の密度＝7.87[g/cm³]」、「銅の密度＝8.96[g/cm³]」となります。

上図のように数値が大きいほど密度が大きい(＝密に詰まっている)ため、上記の中では銅が最も密度が大きく、サラダ油が最も密度が小さい、ということを示しています。

(「密度が大きい物質＝重い物質」、「密度が小さい物質＝軽い物質」ということを意味するが、次の章で物質の密度と重さの関係についてもう少し詳しく解説)

[g/cm³]から[kg/m³]への変換、[kg/m³]から[g/cm³]への変換

どちらも密度の単位ではありますが、[g/cm³](固体・液体で多い)と[kg/m³](気体で多い)ではどのくらい密度の大きさ(＝重さ)が異なるのかイメージしにくいので、「鉄(固体)・水(液体)・空気(気体)」を例に変換方法について解説していきます。

(鉄の密度＝7.87[g/cm³]、水(4℃、1気圧)の密度＝1.00[g/cm³]、空気(0℃、1気圧)の密度＝1.293[kg/m³])

上のように鉄・水・空気をそれぞれ単位変換すると、「鉄の密度＝7.87[g/cm³] ⇒ 7870[kg/m³]」、「水(4℃、1気圧)の密度＝1.00[g/cm³] ⇒ 1000[kg/m³]」、「空気(0℃、1気圧)の密度＝1.293[kg/m³] ⇒ 0.001293[g/cm³]」のように変換されます。

前の章の最後で少し触れていましたが、上図のように物質の密度と重さには「密度が大きい物質ほど重く、密度が小さい物質ほど軽い」という関係があります。

つまり物質の重い・軽いというのは、その物質の密度で判断される、ということです。

例えば、「鉄5[kg]と綿5[kg]を比較する場合」、普通に考えると綿よりも鉄の方が重いのですが、どちらも5[kg]なので同じ重さです。

上図のように、綿のようなどんなに軽い物質でも体積を考えずに積み上げていけば、いずれは鉄のような重い物質よりも重くなるため、物質の重さを比較するときは密度(体積も同じ条件)で考えなければいけません。

密度は、流体(液体・気体)中における物質の浮き沈みにも大きく関係しており、密度と浮き沈みには「流体よりも密度の小さい(＝軽い)物質は浮き、流体よりも密度の大きい(＝重い)物質は沈む」という関係があります。

(密度の小さい物質が浮く＝密度の大きい物質(＝重い)ほど下へ行こうとする力が強いため、密度の小さい(＝軽い)物質の下へ下へと入り込んでいくイメージ)

例えば、上図のように水に他の物質を入れてみると、水よりも密度の小さい(＝軽い)物質は浮き、水よりも密度の大きい(＝重い)物質は沈み、仮に水と同じ密度の物質であればその場に静止(水中でその物質からそっと手を離すと浮きもせず沈みもせずに止まる)します。

(ほとんどの物質は液体から固体になると密度が大きく(＝重く)なるが、水は特殊で氷に変化すると密度が小さく(＝軽く)なる)

また、水だけでなく流体(液体・気体)であれば密度と浮き沈みの関係が適用されます。

では「エタノール(無色透明の液体)と氷」(エタノールの密度＝0.79[g/cm³]、氷の密度＝0.92[g/cm³])、「空気(無色透明の気体)とヘリウムガス入り風船」(空気の密度＝1.293[kg/m³]、ヘリウムの密度＝0.179[kg/m³])の場合について見ていきましょう。

水に氷を入れた場合は、(水よりも氷の方が密度が小さいため)氷は水に浮きましたが、上図のようにエタノールに氷を入れた場合は、(エタノールよりも氷の方が密度が大きいため)氷はエタノールに沈みます。

ヘリウムガス入りの風船についても、(空気よりもヘリウムガスの方が密度がかなり小さいため)風船に用いられているゴムの重さを考慮しても風船は空気に浮きます。

以上が「密度とは何か？重さや浮き沈みの関係をわかりやすく図で解説！」でした。

これまで説明したことをまとめますと、

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