Gęstość i ciężar objętościowy nie są wartościami stałymi przypisanym raz na zawsze danemu płynowi – są to wielkości stanu, których wartość zmienia się wraz z warunkami termodynamicznymi panującymi w ośrodku. Założenie o stałości gęstości, powszechnie stosowane w elementarnej hydraulice, jest uproszczeniem akceptowalnym jedynie w ściśle określonych warunkach. Inżynier projektujący instalacje pracujące w szerokim zakresie temperatur lub ciśnień musi być świadomy granic stosowalności tego uproszczenia i umieć ocenić, kiedy zmienność gęstości staje się istotna obliczeniowo.
Wpływ temperatury
Wzrost temperatury prowadzi w przypadku zdecydowanej większości cieczy do rozszerzania się objętości przy stałej masie, a co za tym idzie – do spadku gęstości i ciężaru objętościowego. Zjawisko to wynika z nasilenia ruchu termicznego cząsteczek: im wyższa temperatura, tym większa średnia amplituda drgań molekularnych i tym większe średnie odległości między cząsteczkami, co przekłada się na wzrost objętości właściwej ośrodka.
Dla wody zależność ta jest szczególnie dobrze zbadana i tabelaryzowana, co czyni ją układem referencyjnym w hydraulice. Jak wskazano w poprzednim rozdziale, woda wykazuje anomalię termiczną w zakresie 0–4°C, gdzie ogrzewanie powoduje wzrost gęstości zamiast jej spadku. Powyżej 4°C zachowanie wody jest już monotoniczne: gęstość maleje wraz z temperaturą. Przyrost temperatury z wartości referencyjnej 4°C aż do temperatury wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym (100°C) skutkuje spadkiem gęstości do wartości:Oznacza to spadek gęstości o ponad 4% względem wartości maksymalnej – zmiana z pozoru niewielka, lecz w instalacjach grzewczych o dużej pojemności wodnej oznaczająca kilkuprocentowy wzrost objętości czynnika, który musi być bezwzględnie skompensowany przez naczynie wzbiorcze. Niezastosowanie odpowiednio pojemnego naczynia wzbiorcze w zamkniętej instalacji c.o. prowadzi do niebezpiecznego wzrostu ciśnienia i otwarcia zaworu bezpieczeństwa lub – w skrajnych przypadkach – do uszkodzenia elementów instalacji.
Analogiczne zjawisko obserwuje się w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych pracujących z glikolami: glikol propylenowy i etylenowy wykazują własną, specyficzną zależność gęstości od temperatury i stężenia, którą zawsze należy uwzględniać przy doborze naczyń wzbiorczych i obliczaniu przepływów masowych.
Wpływ ciśnienia
Ciecze, jak wykazano przy omawianiu ściśliwości, charakteryzują się bardzo małą podatnością na zmiany objętości pod wpływem ciśnienia. W typowych instalacjach budynkowych, gdzie ciśnienia robocze mieszczą się w przedziale 0,1–1,6 MPa, zmiana gęstości wody wywołana ciśnieniem jest całkowicie pomijalna i nie przekracza ułamka procenta. Sytuacja zmienia się diametralnie przy ekstremalnie wysokich ciśnieniach, niedostępnych w standardowej praktyce instalacyjnej, lecz spotykanych w technologiach przemysłowych, takich jak cięcie wodą, wysokociśnieniowe mycie przemysłowe czy inżynieria głębinowa.
Przy ciśnieniu 500 bar (50 MPa) i temperaturze 4°C gęstość wody wzrasta do wartości:Jest to wzrost o niespełna 2,6% względem wartości atmosferycznej – mierzalny, lecz w kontekście większości zastosowań inżynierskich nadal stosunkowo niewielki. Dla porównania: gazy przy tej samej zmianie ciśnienia zmieniają swoją gęstość kilkusetzakrotnie, co w sposób zasadniczy odróżnia mechanikę gazów od hydrauliki cieczy i uzasadnia odrębne traktowanie obu grup ośrodków.
Klasyfikacja płynów ze względu na zmienność gęstości – płyny barotropowe i baroklinowe
Z punktu widzenia teorii mechaniki płynów istotne jest matematyczne ujęcie zależności gęstości od parametrów stanu. Płyny, których gęstość jest jednoznaczną funkcją wyłącznie ciśnienia, określa się mianem płynów barotropowych:Warunek barotropowości jest szczególnie ważny w teorii przepływów, ponieważ znacznie upraszcza równania ruchu – całka z dp/ρ wzdłuż linii prądu jest wówczas jednoznacznie określona, co umożliwia wyprowadzenie uogólnionego równania Bernoulliego dla płynów ściśliwych. Do płynów barotropowych zalicza się gazy doskonałe w procesach izotermicznych lub izoentropowych, a w przybliżeniu – ciecze jednorodne przy pominięciu wpływu temperatury.
Gdy gęstość zależy nie tylko od ciśnienia, lecz również od innych zmiennych stanu – temperatury, składu chemicznego, zasolenia czy stężenia rozpuszczonych substancji – płyn określa się jako baroklinowy. Klasycznym przykładem ośrodka baroklinicznego jest woda morska, której gęstość zależy zarówno od temperatury, jak i od zasolenia – przy zasoleniu 35 g/kg i temperaturze 20°C gęstość wody morskiej wynosi około 1025 kg/m³, podczas gdy woda słodka w tej samej temperaturze ma gęstość 998,2 kg/m³. Różnica ta, choć pozornie niewielka, jest motorem napędowym globalnej termohalinowej cyrkulacji oceanicznej. W inżynierii środowiska barokliniczność ma praktyczne znaczenie przy projektowaniu ujęć wody, oczyszczalni ścieków z mieszanymi strumieniami o różnym składzie oraz systemów odwróconej osmozy.
W praktyce inżynierskiej instalacji sanitarnych, grzewczych i wentylacyjnych w budownictwie kubaturowym płyn roboczy (woda lub roztwór glikolowy) jest z reguły traktowany jako ośrodek jednorodny o gęstości zależnej wyłącznie od temperatury. Przyjmuje się wówczas tabelaryczne wartości gęstości odpowiadające temperaturze obliczeniowej czynnika, co stanowi rozsądny kompromis między dokładnością a prostotą obliczeń projektowych.