Jak vypočítat hustotu vzduchu

I když se to může zdát jako nic, vzduch kolem vás má hustotu. Hustotu vzduchu lze měřit a studovat z hlediska fyzikálních a chemických vlastností, jako je jeho hmotnost, hmotnost nebo objem. Vědci a inženýři používají tyto znalosti při vytváření zařízení a produktů, které využívají tlak vzduchu při nahušťování pneumatik, posílání materiálů přes sací čerpadla a vytváření vakuové těsnosti těsnění.

Nejzákladnějším a nejpřímějším vzorcem hustoty vzduchu je jednoduše dělení hmotnosti vzduchu jeho objemem. Toto je standardní definice hustoty jako

pro hustotuρ(„rho“) obecně v kg / m³, Hmotnostmv kg a objemuPROTIv m³. Například pokud jste měli 100 kg vzduchu, který zabral objem 1 m³hustota by byla 100 kg / m³.

Chcete-li získat lepší představu o hustotě vzduchu konkrétně, musíte při formulování jeho hustoty zohlednit, jak je vzduch vyroben z různých plynů. Při konstantní teplotě, tlaku a objemu je suchý vzduch obvykle vyroben ze 78% dusíku (N₂), 21% kyslíku (Ó₂) a jedno procento argonu (Ar​).

Chcete-li vzít v úvahu účinek těchto molekul na tlak vzduchu, můžete vypočítat hmotnost vzduchu jako součet dva atomy dusíku po 14 atomových jednotkách, dva atomy kyslíku po 16 atomových jednotkách a jediný atom argonu o 18 atomových Jednotky.

Pokud vzduch není úplně suchý, můžete také přidat nějaké molekuly vody (H₂Ó), což jsou dvě atomové jednotky pro dva atomy vodíku a 16 atomových jednotek pro singulární atom kyslíku. Pokud vypočítáte, kolik máte vzduchu, můžete předpokládat, že tyto chemické složky jsou rovnoměrně rozloženo a poté vypočítat procento těchto chemických složek v suchu vzduch.

Při výpočtu hustoty můžete také použít konkrétní hmotnost, poměr hmotnosti k objemu. Specifická hmotnostγ(„gama“) je dáno rovnicí

který přidá další proměnnouGjako konstanta gravitačního zrychlení 9,8 m / s². V tomto případě je produktem hmotnosti a gravitačního zrychlení hmotnost plynu a vydělením této hodnoty objememPROTIvám řekne měrnou hmotnost plynu.

Online kalkulačka hustoty vzduchu, jako je ta od Engineering Toolbox vám umožní vypočítat teoretické hodnoty hustoty vzduchu při daných teplotách a tlacích. Web také poskytuje tabulku hodnot hustoty vzduchu při různých teplotách a tlacích. Tyto grafy ukazují, jak klesá hustota a měrná hmotnost při vyšších hodnotách teploty a tlaku.

Můžete to udělat kvůli Avogadrovu zákonu, který říká: „stejné objemy všech plynů při stejné teplotě a tlaku mají stejný počet molekul.“ Pro tohle z tohoto důvodu vědci a inženýři používají tento vztah při určování teploty, tlaku nebo hustoty, když znají další informace o objemu plynu, kterým jsou studovat.

Zakřivení těchto grafů znamená, že mezi těmito veličinami existuje logaritmický vztah. Tuto teorii můžete ukázat opětovným uspořádáním zákona o ideálním plynu:

pro tlakP, objemPROTI, hmotnost plynum, plynová konstantaR(0,167226 J / kg K) a teplotaTdostatρ​

ve kterémρje hustota v jednotkáchm / Vhmotnost / objem (kg / m³). Mějte na paměti, že tato verze zákona o ideálním plynu používáRplynová konstanta v jednotkách hmotnosti, ne v molech.

Variace zákona o ideálním plynu ukazuje, že s rostoucí teplotou se logaritmicky zvyšuje hustota1 / T.je úměrnáρ.Tento inverzní vztah popisuje zakřivení grafů hustoty vzduchu a tabulek hustoty vzduchu.

Suchý vzduch může spadat pod jednu ze dvou definic. Může to být vzduch bez jakékoli stopy vody nebo vzduch s nízkou relativní vlhkostí, kterou lze měnit ve vyšších nadmořských výškách. Tabulky hustoty vzduchu, jako je ta na Omnicalculator ukázat, jak se mění hustota vzduchu s ohledem na nadmořskou výšku. Omnicalculator má také kalkulačku pro stanovení tlaku vzduchu v dané výšce.

Jak se zvyšuje nadmořská výška, tlak vzduchu klesá primárně kvůli gravitační přitažlivosti mezi vzduchem a zemí. Je to proto, že gravitační přitažlivost mezi zemí a molekulami vzduchu klesá, což snižuje tlak sil mezi molekulami, když jdete do vyšších nadmořských výšek.

Stává se to také proto, že samotné molekuly mají menší váhu, protože nižší váha je způsobena gravitací ve vyšších nadmořských výškách. To vysvětluje, proč vaření některých potravin trvá déle, když jsou ve vyšších nadmořských výškách, protože potřebují více tepla nebo vyšší teplotu, aby vzrušily molekuly plynu v nich.

Výškoměry letadel, přístroje, které měří nadmořskou výšku, toho využívají k měření tlaku a jeho použití k odhadu nadmořské výšky, obvykle z hlediska střední hladiny moře (MSL). Globální poziční systémy (GPS) vám dávají přesnější odpověď měřením skutečné vzdálenosti nad hladinou moře.

Vědci a inženýři většinou používají jednotky SI pro hustotu kg / m³. Na základě případu a účelu může být vhodnější jiné použití. Menší hustoty, jako jsou stopové prvky v pevných objektech, jako je ocel, lze obecně snáze vyjádřit pomocí jednotek g / cm³. Mezi další možné jednotky hustoty patří kg / la ag / ml.

Mějte na paměti, že při převodu mezi různými jednotkami pro hustotu musíte zohlednit tři rozměry objemu jako exponenciální faktor, pokud potřebujete změnit jednotky pro objem.

Například pokud jste chtěli převést 5 kg / cm³ do kg / m³, vynásobíte 5 a 100³, ne pouze 100, abyste dostali výsledek 5 x 10⁶ kg / m³.

Mezi další užitečné převody patří 1 g / cm³ = 0,001 kg / m³, 1 kg / l = 1000 kg / m³ a 1 g / ml = 1 000 kg / m³. Tyto vztahy ukazují univerzálnost jednotek hustoty pro požadovanou situaci.

Ve Spojených státech obvyklých standardech jednotek můžete být zvyklí používat jednotky jako stopy nebo libry místo metrů nebo kilogramů. V těchto scénářích si můžete pamatovat některé užitečné převody, jako 1 oz / in³ = 108 lb / ft³, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft³ a 1 lb / yd³ ≈ 0,037 lb / ft³. V těchto případech ≈ označuje aproximaci, protože tato čísla pro převod nejsou přesná.

Tyto jednotky hustoty vám mohou poskytnout lepší představu o tom, jak měřit hustotu abstraktnějších nebo jemnějších konceptů, jako je hustota energie materiálů používaných při chemických reakcích. Může to být energetická hustota paliv používaných auty při zapalování nebo kolik jaderné energie může být uloženo v prvcích, jako je uran.

Například porovnání hustoty vzduchu s hustotou siločar elektrického pole kolem elektricky nabitého objektu vám může poskytnout lepší představu o tom, jak integrovat množství nad různými objemy.