Въпреки че може да изглежда като нищо, въздухът около вас има плътност. Плътността на въздуха може да се измерва и изучава за особености на физиката и химията като неговото тегло, маса или обем. Учените и инженерите използват тези знания при създаването на оборудване и продукти, които се възползват въздушно налягане при надуване на гуми, изпращане на материали през смукателни помпи и създаване на вакуумно херметичност уплътнения.
Формула за плътност на въздуха
Най-основната и ясна формула за плътност на въздуха е просто разделяне на масата на въздуха на неговия обем. Това е стандартната дефиниция за плътност като
\ rho = \ frac {m} {V}
за плътностρ("rho") обикновено в kg / m3, масамв кг и обемVв м3. Например, ако имате 100 кг въздух, който заема обем от 1 м3, плътността ще бъде 100 kg / m3.
За да получите по-добра представа за плътността на въздуха конкретно, трябва да вземете предвид начина, по който въздухът е направен от различни газове, когато формулирате неговата плътност. При постоянна температура, налягане и обем сухият въздух обикновено се състои от 78% азот (
н2), 21% кислород (О2) и един процент аргон (Ар).За да вземете предвид ефекта, който тези молекули имат върху въздушното налягане, можете да изчислите масата на въздуха като сбор от два атома на азот от по 14 атомни единици, кислородът по два атома от по 16 атомни единици и единичен атом на аргон от 18 атомни единици единици.
Ако въздухът не е напълно сух, можете да добавите и няколко водни молекули (Н2О), които са две атомни единици за двата водородни атома и 16 атомни единици за единичен кислороден атом. Ако изчислите колко маса въздух имате, можете да приемете, че тези химични съставки са разпределени в него равномерно и след това се изчислява процентът на тези химически компоненти в сухо състояние въздух.
Можете също да използвате специфичното тегло, съотношението на теглото към обема при изчисляване на плътността. Специфичното теглоγ("гама") се дава от уравнението
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
което добавя допълнителна променливажкато константата на гравитационното ускорение 9,8 m / s2. В този случай продуктът на масата и гравитационното ускорение е теглото на газа и разделянето на тази стойност на обемаVможе да ви каже специфичното тегло на газа.
Калкулатор за плътност на въздуха
Онлайн калкулатор за плътност на въздуха като този от Инженерна кутия с инструменти ви позволяват да изчислите теоретични стойности за плътността на въздуха при определени температури и налягания. Уебсайтът предоставя и таблица на плътността на въздуха за стойности при различни температури и налягания. Тези графики показват как плътността и специфичното тегло намаляват при по-високи стойности на температурата и налягането.
Можете да направите това поради закона на Авогадро, който гласи, „еднакви обеми от всички газове, при еднаква температура и налягане, имат еднакъв брой молекули“. За това по тази причина учените и инженерите използват тази връзка при определяне на температурата, налягането или плътността, когато знаят друга информация за обема на газа, който представляват изучаване.
Кривината на тези графики означава, че има логаритмична връзка между тези величини. Можете да покажете, че това съвпада с теорията, като пренаредите закона за идеалния газ:
PV = mRT
за натискP, сила на звукаV, маса на газам, газова константаR(0,167226 J / kg K) и температураTда се получиρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
в койтоρе плътност в единициm / Vмаса / обем (kg / m3). Имайте предвид, че тази версия на закона за идеалния газ използваRгазова константа в единици за маса, не в молове.
Вариацията на закона за идеалния газ показва, че с увеличаване на температурата плътността се увеличава логаритмично, защото1 / Те пропорционално наρ.Тази обратна връзка описва кривината на графиките за плътност на въздуха и таблиците за плътност на въздуха.
Плътност на въздуха срещу Надморска височина
Сухият въздух може да попадне в една от двете дефиниции. Може да е въздух без следа от вода в него или може да е въздух с ниска относителна влажност, който може да се променя на по-голяма надморска височина. Таблици с плътност на въздуха като тази на Омникулатор покажете как се променя плътността на въздуха по отношение на надморската височина. Омникулатор разполага и с калкулатор за определяне на въздушното налягане на дадена височина.
С увеличаване на надморската височина въздушното налягане намалява главно поради гравитационното привличане между въздуха и земята. Това е така, защото гравитационното привличане между земята и молекулите на въздуха намалява, намалявайки налягането на силите между молекулите, когато отидете на по-голяма надморска височина.
Това се случва и защото молекулите сами имат по-малко тегло, защото по-малко тегло поради гравитацията на по-голяма надморска височина. Това обяснява защо някои храни се готвят по-дълго, когато са на по-голяма надморска височина, тъй като ще им трябва повече топлина или по-висока температура, за да възбудят молекулите на газа в тях.
Самолетните висотомери, инструменти, които измерват надморската височина, се възползват от това, като измерват налягането и го използват за изчисляване на надморската височина, обикновено по отношение на средното морско ниво (MSL). Системите за глобални позиции (GPS) ви дават по-точен отговор чрез измерване на действителното разстояние над морското равнище.
Единици за плътност
Учените и инженерите използват предимно единиците SI за плътност от kg / m3. Други приложения могат да бъдат по-приложими в зависимост от случая и целта. По-малките плътности като тези на микроелементите в твърди предмети като стомана обикновено могат да бъдат изразени по-лесно, като се използват единици от g / cm3. Други възможни единици за плътност включват kg / L и g / mL.
Имайте предвид, че когато конвертирате между различни единици за плътност, трябва да отчетете трите измерения на обема като експоненциален фактор, ако трябва да промените мерните единици за обем.
Например, ако искате да конвертирате 5 кг / см3 до kg / m3, ще умножите 5 по 1003, а не само 100, за да се получи резултатът 5 x 106 kg / m3.
Други удобни преобразувания включват 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 и 1 g / mL = 1000 kg / m3. Тези взаимоотношения показват гъвкавостта на единиците за плътност за желаната ситуация.
В обичайните стандарти за единици в Съединените щати може да сте свикнали да използвате съответно единици като фута или лири вместо метри или килограми. В тези сценарии можете да си спомните някои полезни преобразувания като 1 унция / инч3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7.48 lb / ft3 и 1 lb / ярд3 ≈ 0,037 lb / ft3. В тези случаи ≈ се отнася до приближение, тъй като тези числа за преобразуване не са точни.
Тези единици за плътност могат да ви дадат по-добра представа за това как да измервате плътността на по-абстрактни или нюансирани понятия като енергийната плътност на материалите, използвани в химични реакции. Това може да е енергийната плътност на горивата, които автомобилите използват при запалване, или колко ядрена енергия може да се съхранява в елементи като уран.
Сравняването на плътността на въздуха с плътността на електрическите полеви линии около електрически зареден обект например може да ви даде по-добра представа за това как да интегрирате количества в различни обеми.