密度、重度和比重

概述

密度（$\rho$）是单位体积的质量，是用于表征物质的基本物理性质。在给定的温度和压力下，纯材料的密度是恒定的，因此可用于识别物质和进行工程计算。

比重（SG），也称为相对密度，是物质密度与参考温度下水的密度之比的无量纲量——参考温度通常为 4 °C，此时水达到最大密度 1000 kg/m³。

重度（$\gamma$）是单位体积的重力重量，将密度与当地重力加速度联系起来。

关键公式

密度

$\rho = \frac{m}{V}$

质量除以体积。SI 单位为 kg/m³；英制单位为 slug/ft³（虽然实践中常用 lbm/ft³）。

比重

$SG = \frac{\rho_{\text{substance}}}{\rho_{\text{H}_2\text{O}}}$

由于 SG 是无量纲量，其在 SI 和英制系统中的数值相同。对于固体和液体，参考物质是水；对于气体，参考物质通常是在 NTP（20 °C，1 atm）下的干空气，其中 $\rho_{\text{air}} \approx 1.204\;\text{kg/m}^3$。

重度

$\gamma = \rho \cdot g$

其中 $g$ = 9.807 m/s²（SI）或 32.174 ft/s²（英制）。

比容

比容是密度的倒数：

$\nu = \frac{1}{\rho}$

SI 单位为 m³/kg。在英制工程单位中，当密度以 slug/ft³ 表示时，可表示为 ft³/slug。

变量

单位换算

• 1 slug = 32.174 lbm = 14.594 kg
• 1 kg = 2.2046 lbm = 6.852 × 10⁻² slugs
• 4 °C 时的水：1000 kg/m³ = 1.940 slugs/ft³ = 62.4 lb/ft³

常见物质的比重

常见材料的重度

还原的原始源表

以下表格还原自原始来源页面，以保留完整的参考数据。

常见物质的比重

常见材料的重度

工程要点

• 质量 vs. 重量：密度使用质量（kg、slug）；重度使用力（N、lbf）。在英制计算中，混淆磅质量（lbm）和磅力（lbf）是常见的错误来源。
• 温度依赖性：密度随温度变化。水在 4 °C 时是例外，此时达到最大密度。报告 SG 或密度时务必注明参考温度。
• 压力依赖性：对于液体和固体，影响很小。对于气体，密度强烈依赖于压力——必要时使用理想气体定律（$\rho = p / (R\,T)$）或真实气体模型。
• 液体的 SG：由于 SG 值等于以 g/mL（或 Mg/m³）为单位的密度，它提供了一种无需单位换算即可快速估算密度的方法。
• 复合材料和合金：表中 SG 值适用于纯材料。合金、聚合物和复合材料随成分和加工工艺而变化。

参考资料

• Engineering ToolBox — 密度、重度和比重