밀도와 비중의 개념

흔히 혼동하는 물리량의 개념 중에 밀도와 비중이 있는데요, 사실 이러한 기본 물성에 대한 이해가 바탕이 되어야 여러 물리량을 볼 때 이해의 깊이가 달라지고 폭이 넓어지는 것이죠. 단순하게 수치와 단위로 이루어진 물리량을 잘 알게 되면 계산을 할 때 의미를 쉽게 파악할 수 있게 되는 것이니까요. 물질의 고유 특성인 밀도와 비중에 대해서 정리를 해보겠습니다.

 

밀도(Density)

밀도는 단위 부피당(체적당) 얼마의 질량을 가지는지 나타내는 것으로, 의미에서 알 수 있듯이 질량을 부피로 나눈 값이 됩니다. 따라서 밀도는 위에 기술된 정의에 따라서 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

 

밀도 = 질량 / 부피

 

ρ = m / V

 

ρ : 밀도, m : 질량(mass), V : 부피(체적, Volume)

 

단위는 주로 g/㎤, g/mL, kg/㎥, kg/L 등이 사용됩니다. 경우에 따라 MT/㎥ 같은 단위도 사용됩니다. MT는 Metric Ton입니다. 하여튼 밀도의 단위는 질량을 부피로 나눈 것이라는 것을 알면 됩니다. 다른 부분은 단위 환산의 영역이고요.

 

비중(Specific gravity)

비중은 줄여서 SG(sg)라고도 많이 사용하고, 더러 상대 밀도라는 표현도 사용을 하는데, 어떤 물질의 질량과 같은 부피(체적)를 가진 물질의 질량과 비(ratio)를 나타냅니다. 다시 말해서 어떤 물질과 표준물질 간의 밀도 비율이라고 이해를 하면 되겠죠. 수식으로 나타내면 아래와 같이 되겠죠.

 

비중 (SG) = ρ / ρ(reference)

 

일반적으로 고체나 액체 상태의 경우에 표준물질로 4℃, 1기압의 물을 사용하고, 기체의 경우에는 표준상태(STP, Standard Temperature and Pressure, 0℃, 1기압) 하에서 공기(air)나 산소 또는 수소를 이용합니다. 4℃, 1기압에서 물의 밀도는 1.0g/mL로 간주가 되기 때문에 (실제 물의 밀도는 0.999972g/mL) 일반적으로 비중은 밀도에서 단위만 없는 값이 됩니다. 단위가 없다는 것은 무차원이라는 뜻입니다. 여기서 한 가지 이야기하고 있는 것은 무차원의 단위를 가지는 물리량에 대해서, 습관적으로 왜 무차원인지 항상 알아야 합니다. 추후에 계산이나 어떠한 물성에 대한 물리적인 의미를 쉽게 파악할 수 있기 때문인데요, 간단하게 말해서 비중도 단위가 없다고 이해하기보다는 단위가 (g/㎤)/(g/㎤)라고 이해를 하는 편이 더 좋습니다.

 

밀도와 비중의 변환

우리는 밀도라는 물리량이 있는데 또 비중이라는 개념을 사용하는지를 알아야 합니다. 비중은 표준물질인 물의 밀도로 해당 물질의 밀도를 나누어 준 값이 되므로 위에 서술한 대로 밀도에서 단위가 없는 값으로 표현이 됩니다. 따라서 비중값을 알면 해당 물질이 물에 가라앉는지, 뜨는지를 쉽게 파악할 수가 있겠죠. 또한 어떤 물질이 물에 녹아 있을 때 비중을 구해보면 용질이 얼마나 용해되어 있는지도 간접적으로 비교를 할 수가 있습니다. 예를 들어서 바닷물에 들어 있는 염분의 양에 따라 해수의 비중이 달라지게 되겠죠. 기체의 경우에 표준물질로 공기를 사용하므로, 어떤 기체가 공기 속에서 뜨는지 가라앉는지도 알 수가 있을 테고요.

 

밀도를 비중으로 변환하는 것의 예를 들자면 어떤 물질의 밀도가 1.8g/㎤이라고 한다면 이 물질의 비중은 1.8g/㎤ / 1.0g/㎤ 이므로 단위가 약분되어 1.8이 됩니다. 이렇듯 상온과 상압에서는 밀도에서 단위를 제하면 비중이 되는 것으로 이해를 하여도 무방합니다.

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민물보다 바닷물에 가면 몸이 더 잘 뜨죠. 해수에는 염분이 용해되어 있으므로 밀도가 높고, 상대적으로 우리 신체의 밀도는 일정하므로 해수의 밀도에 대비한 신체의 밀도는 민물에서보다 작은 값을 가지게 될 것입니다. 아라비아 반도의 북서부 쪽에 있는 사해(dead sea)는 염분의 농도가 일반 해수보다 5-6배가 높은 약 34% 정도 됩니다. 여기서는 물에 몸을 담그면 몸이 일반 바다에서보다 더욱 잘 뜨죠. 밀도 차이 때문입니다.

사해에서는 높은 염분으로 인해 물에 잘 뜬다. 이미지 출처: BBC.com