Para fluidos ideais e bem comportados, dizemos que a massa específica e a densidade têm o mesmo valor numérico. Por que isso não é válido para sólidos? Como o conceito de densidade é importante para explicar, por exemplo, como um navio de aço flutua na água?
Passo 1
O enunciado pergunta por que, em fluidos ideais, a massa específica
e a densidade verdadeira têm sempre o mesmo valor numérico, mas isso não vale para sólidos, e como o conceito de densidade explica, por exemplo, que um navio de aço flutue na água. O conteúdo envolvido é densidade de materiais e empuxo em fluidos, e vamos precisar das definições de densidade (massa por volume), distinção entre densidade real e densidade aparente em sólidos, e do Princípio de Arquimedes para entender a flutuação.
Passo 2
Em fluidos ideais e homogêneos consideramos que todo infinitésimo de volume está preenchido pela substância, sem poros nem vazios internos. Nesse caso definimos a densidade como
onde
é a massa do fluido contida no volume
. Como não há fase sólida nem bolsões de ar, essa razão já é a densidade verdadeira do material e coincide numericamente com a massa específica.
Passo 3
Em sólidos, porém, muitas vezes existe estrutura interna com vazios, poros ou inclusões de ar. Assim surgem duas grandezas distintas: a densidade verdadeira do material (massa do sólido dividido pelo volume efetivo ocupado pelo sólido puro) e a densidade aparente ou massa específica (massa total dividida pelo volume externo, que inclui vazios). Em geral
pois o volume externo é maior ao englobar poros.
Passo 4
Para entender por que um navio de aço flutua, aplicamos o Princípio de Arquimedes: o empuxo é igual ao peso do fluido deslocado. Um casco de aço é oco, então o volume total do navio é grande, mas a massa é somente a do aço (e equipamentos), resultando numa densidade média do navio
que é menor que a densidade da água
. Logo, o peso da água deslocada (proporcional a
) supera o peso do navio, mantendo-o à tona.
Passo 5
Resumindo, em fluidos a massa preenche todo o volume sem vazios, fazendo densidade e massa específica coincidirem. Em sólidos aparecem vazios internos que separam densidade real e aparente. No caso do navio, a densidade média do conjunto casco + ar é inferior à da água, garantindo flutuação pelo empuxo.
Resposta
A diferença surge porque sólidos geralmente têm vazios internos, gerando densidade real (do material sólido) e densidade aparente (massa total sobre volume externo) distintas, enquanto fluidos ideais não têm esses vazios. No navio, o casco de aço retém ar, reduzindo a densidade média do conjunto abaixo da densidade da água, de modo que o empuxo gerado pela água deslocada seja maior que o peso do navio, fazendo-o flutuar.