1kg의 나무를 천칭의 한쪽 접시위에 놓고 다른 쪽 접시 위에 1kg의 돌을 올려놓고 달아보면 이 두 질량은 평형을 이루게 된다. 그러나 여기에서 차이점은 나무는 돌에 비하여 훨씬 큰 공간을 차지하게 되며, 이러한 차이점은 같은 질량의 물과 수은에서도 볼 수 있다.
이 때 각각 상이한 물체들의 질량과 부피 사이의 차이점을 비교하는데 밀도(density:D)라는 단위를 사용한다. 즉 어떤 물체의 질량을 M, 부피를 V라면 밀도는 D=M/V가 된다. 식으로 표시된 밀도를 말로 바꾸어 간단히 서술한다면 밀도란 어떤 물체의 빽빽한 정도라 할 수 있겠다.
거의 모든 물체는 가열되면 일반적으로 팽창하므로 밀도는 온도에 따라서 감소하게 된다. 따라서 어떤 특정한 온도에서 측정된 밀도는 그 보다 높은 온도에서는 감소하게 되는데 그 이유는 질량에는 변화가 없지만, 그 부피가 증가하기 때문이다. 그러므 로 밀도에 대한 정확한 표시를 해 주기 위해서는 밀도 측정시의 온도를 표시해 주어야 한다.
<물의 단위질량에 대한 부피변화 그래프>
물에 있어서도 온도에 따라 밀도가 변화하는데 4℃일때의 밀도가 가장 크게 된다. 그래프에서 보는 바와 같이 4℃이상의 물에서는 온도상승과 더불어 부피가 팽창하지만 직선적은 아니다. 그러나 0℃와 4℃사이의 온도에서 물은 다른 일반 액체와 는 달리 팽창하지 않고 수축한다.
그래프에서 물의 최소부피는 3.98℃에서 일어나며 1.0000250㎤/g이다. 최소비부피의 역수에 해당하는 최대밀도는 0.9999750g/㎤이다. 이 온도보다 다른 범위에서는 물의 밀도가 이보다 적다. 물의 이와 같은 성질은 호수가 왜 윗표면부터 얼기 시작하는가를 설명하여 준다. 만일 물이 최대밀도를 갖지 않는다면 호수는 밑부분부터 얼어 올라 올 것이다.
<물의 온도별 밀도변화 테이블>
비중이란 어떤 물체의 단위중량과 순수한 물 4℃일때 단위중량의 비를 말하며 순수한 물 4℃일때 물의 비중은 1.0이다. 즉, 물을 기준으로 하여 다른 물체와 비교한 것이 비중이다. 비중을 간단히 측정하려면 부피가 정확히 알려진 눈금의 용기를 선택하여 빈 용기 자체의 무게를 측정한 후 기록하고 다음에 비중을 조사할 액체를 채운 후 무게를 측정 기록하며, 최종적으로 그 용기를 깨끗이 닦아 말린 다음에 증류수를 채워서 무게를 측정하면 두가지 액체의 순수한 무게를 얻을 수 있다. 이렇게 얻은 액체의 무게를 증류수의 무게로 나누면 비중을 얻을 수 있다. 밀도에서와 마찬가지로 비중도 측정을 실시한 때의 온도를 명시하여야 정확한 표현이라고 할 수 있으며 비중 측정에서는 단위가 제거되었다는 점이 밀도와 차이가 나는 점이다. 즉, 비중이란 동일한 부피의 증류수와 어떤 미지의 액체를 비교하는데 사용된 순수한 비율이다.
위의 공식에서 물의 밀도가 1 이기 때문에 물체의 비중은 물체의 밀도에서 단위를 생략한 것과 같다. 우리가 수영속에서 비중의 과학을 적용한다면, 수영장의 물의 온도가 높을수록 비중은 상대적으로 작아진다는 결론을 가질 수 있다. (4℃ 이하에서 수영하고 싶은 분은 시비를 걸어도 좋다) 또한 일반적인 비중의 정도는 기체 < 액체 < 고체 의 공식을 취한다.(동일한 물질을 전제로) 단, 물(액체) > 스티로폼(고체)과 같이 고체의 비중이 액체보다 낮은 경우도 있다. 자료작성 : 김재중 / 감수 도우미 : 나인스톤 (한국표준과학연구원)