كيف تحسب كثافة الهواء

على الرغم من أنه قد يبدو وكأنه لا شيء ، إلا أن كثافة الهواء من حولك. يمكن قياس كثافة الهواء ودراستها لخصائص الفيزياء والكيمياء مثل وزنه أو كتلته أو حجمه. يستخدم العلماء والمهندسون هذه المعرفة في إنشاء المعدات والمنتجات التي تستفيد منها ضغط الهواء عند نفخ الإطارات ، وإرسال المواد من خلال مضخات الشفط وخلق فراغ محكم الأختام.

أبسط وأبسط صيغة لكثافة الهواء هي ببساطة قسمة كتلة الهواء على حجمها. هذا هو التعريف القياسي للكثافة

للكثافةρ("rho") بشكل عام بالكيلو جرام / م³، كتلةمبالكيلو جرام والحجمالخامسفي م³. على سبيل المثال ، إذا كان لديك 100 كجم من الهواء استهلك حجمًا 1 م³، ستكون الكثافة 100 كجم / م³.

للحصول على فكرة أفضل عن كثافة الهواء على وجه التحديد ، تحتاج إلى حساب كيفية تكوين الهواء من غازات مختلفة عند تكوين كثافته. عند درجة حرارة وضغط وحجم ثابتين ، يتكون الهواء الجاف عادةً من 78٪ نيتروجين (ن₂) ، 21٪ أكسجين (ا₂) وواحد بالمائة من الأرجون (أر​).

لمراعاة تأثير هذه الجزيئات على ضغط الهواء ، يمكنك حساب كتلة الهواء كمجموع ذرتان من النيتروجين تتكون كل منهما من 14 وحدة ذرية ، وذرتا الأكسجين من 16 وحدة ذرية لكل منهما وذرة الأرجون المفردة المكونة من 18 وحدة ذرية الوحدات.

إذا لم يكن الهواء جافًا تمامًا ، يمكنك أيضًا إضافة بعض جزيئات الماء (ح₂ا) وهما وحدتان ذريتان لذرتي الهيدروجين و 16 وحدة ذرية لذرة الأكسجين المفردة. إذا قمت بحساب مقدار كتلة الهواء لديك ، يمكنك افتراض أن هذه المكونات الكيميائية هي وزعت في جميع أنحاء بشكل موحد ثم احسب النسبة المئوية لهذه المكونات الكيميائية في الجافة هواء.

يمكنك أيضًا استخدام الوزن المحدد ، نسبة الوزن إلى الحجم في حساب الكثافة. الوزن النوعيγ("جاما") من المعادلة

يضيف متغيرًا إضافيًازثابت تسارع الجاذبية 9.8 م / ث². في هذه الحالة ، ناتج الكتلة وتسارع الجاذبية هو وزن الغاز ، وتقسيم هذه القيمة على الحجمالخامسيمكن أن يخبرك الوزن النوعي للغاز.

آلة حاسبة لكثافة الهواء عبر الإنترنت مثل تلك التي تستخدمها صندوق الأدوات الهندسية تتيح لك حساب القيم النظرية لكثافة الهواء عند درجات حرارة وضغوط معينة. يوفر الموقع أيضًا جدول قيم كثافة الهواء عند درجات حرارة وضغوط مختلفة. توضح هذه الرسوم البيانية كيف تنخفض الكثافة والوزن النوعي عند القيم الأعلى لدرجة الحرارة والضغط.

يمكنك القيام بذلك بسبب قانون أفوجادرو ، الذي ينص على أن "الأحجام المتساوية لجميع الغازات ، عند نفس درجة الحرارة والضغط ، لها نفس عدد الجزيئات". لهذا السبب ، يستخدم العلماء والمهندسون هذه العلاقة في تحديد درجة الحرارة أو الضغط أو الكثافة عندما يعرفون معلومات أخرى عن حجم الغاز الموجود لديهم دراسة عربي.

إنحناء هذه الرسوم البيانية يعني أن هناك علاقة لوغاريتمية بين هذه الكميات. يمكنك إظهار أن هذه تطابق النظرية من خلال إعادة ترتيب قانون الغاز المثالي:

للضغطص، أربعة حجمالخامسالخامس، كتلة الغازم، ثابت الغازص(0.167226 جول / كجم كلفن) ودرجة الحرارةتيلتأخذ، لتمتلكρ​

بحيثρهي الكثافة بوحدات منم / الخامسالكتلة / الحجم (كجم / م³). ضع في اعتبارك أن هذا الإصدار من قانون الغاز المثالي يستخدمصثابت الغاز بوحدات الكتلة وليس المولات.

يوضح الاختلاف في قانون الغاز المثالي أنه مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد الكثافة لوغاريتميًا بسبب1 / تيتناسبρ.تصف هذه العلاقة العكسية انحناء الرسوم البيانية لكثافة الهواء وجداول كثافة الهواء.

يمكن أن يندرج الهواء الجاف تحت أحد تعريفين. يمكن أن يكون هواءًا بدون أي أثر للماء فيه أو يمكن أن يكون هواءًا ذا رطوبة نسبية منخفضة ، والتي يمكن تغييرها على ارتفاعات أعلى. جداول كثافة الهواء مثل واحد على Omnicalculator تبين كيف تتغير كثافة الهواء فيما يتعلق بالارتفاع. Omnicalculator يحتوي أيضًا على آلة حاسبة لتحديد ضغط الهواء على ارتفاع معين.

مع زيادة الارتفاع ، ينخفض ​​ضغط الهواء في المقام الأول بسبب الجاذبية بين الهواء والأرض. وذلك لأن الجاذبية بين الأرض وجزيئات الهواء تتناقص ، مما يقلل من ضغط القوى بين الجزيئات عندما تذهب إلى ارتفاعات أعلى.

يحدث هذا أيضًا لأن الجزيئات لها وزن أقل لأن وزنها أقل بسبب الجاذبية على ارتفاعات أعلى. وهذا يفسر سبب استغراق بعض الأطعمة وقتًا أطول في الطهي عندما تكون على ارتفاعات أعلى لأنها ستحتاج إلى مزيد من الحرارة أو درجة حرارة أعلى لإثارة جزيئات الغاز بداخلها.

تستفيد أجهزة قياس الارتفاع بالطائرة ، وهي الأجهزة التي تقيس الارتفاع ، من ذلك عن طريق قياس الضغط واستخدام ذلك لتقدير الارتفاع ، عادةً من حيث متوسط ​​مستوى سطح البحر (MSL). تمنحك أنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS) إجابة أكثر دقة عن طريق قياس المسافة الفعلية فوق مستوى سطح البحر.

يستخدم العلماء والمهندسون في الغالب وحدات SI لكثافة كجم / م³. قد تكون الاستخدامات الأخرى أكثر قابلية للتطبيق بناءً على الحالة والغرض. يمكن التعبير بشكل عام عن كثافات أصغر مثل تلك الخاصة بالعناصر النزرة في الأجسام الصلبة مثل الفولاذ بسهولة أكبر باستخدام وحدات جم / سم³. تتضمن وحدات الكثافة المحتملة الأخرى كجم / لتر و جم / مل.

ضع في اعتبارك ، عند التحويل بين الوحدات المختلفة للكثافة ، يجب أن تأخذ في الاعتبار الأبعاد الثلاثة للحجم كعامل أسي إذا كنت بحاجة إلى تغيير وحدات الحجم.

على سبيل المثال ، إذا أردت تحويل 5 كجم / سم³ إلى كجم / م³، ستضرب 5 في 100³وليس 100 فقط للحصول على النتيجة 5 × 10⁶ كجم / م³.

تشمل التحويلات المفيدة الأخرى 1 جم / سم³ = .001 كجم / م³، 1 كجم / لتر = 1000 كجم / م³ و 1 جم / مل = 1000 كجم / م³. تظهر هذه العلاقات تنوع وحدات الكثافة للوضع المطلوب.

في المعايير العرفية للوحدات في الولايات المتحدة ، قد تكون أكثر اعتيادًا على استخدام وحدات مثل الأقدام أو الجنيهات بدلاً من الأمتار أو الكيلوجرامات ، على التوالي. في هذه السيناريوهات ، يمكنك تذكر بعض التحويلات المفيدة مثل 1 أوقية / في³ = 108 رطل / قدم³، 1 رطل / جالون ≈ 7.48 رطل / قدم³ و 1 رطل / ياردة³ ≈ 0.037 رطل / قدم³. في هذه الحالات ، تشير إلى تقريب لأن هذه الأرقام للتحويل ليست دقيقة.

يمكن أن تمنحك وحدات الكثافة هذه فكرة أفضل عن كيفية قياس كثافة المفاهيم الأكثر تجريدًا أو دقة مثل كثافة الطاقة للمواد المستخدمة في التفاعلات الكيميائية. قد يكون هذا هو كثافة الطاقة للوقود الذي تستخدمه السيارات في الاشتعال أو مقدار الطاقة النووية التي يمكن تخزينها في عناصر مثل اليورانيوم.

يمكن أن تمنحك مقارنة كثافة الهواء بكثافة خطوط المجال الكهربائي حول جسم مشحون كهربائيًا ، على سبيل المثال ، فكرة أفضل عن كيفية دمج الكميات على أحجام مختلفة.