Selvom det måske ikke ser ud som noget, har luften omkring dig en tæthed. Densiteten af luft kan måles og undersøges for funktioner i fysik og kemi såsom dens vægt, masse eller volumen. Forskere og ingeniører bruger denne viden til at skabe udstyr og produkter, der drager fordel af lufttryk, når dæk pumpes op, sender materialer gennem sugepumper og skaber vakuumtæt sæler.
Formel for lufttæthed
Den mest basale og ligetil formel for lufttæthed er simpelthen at dele luftmassen med dens volumen. Dette er standarddefinitionen af tæthed som
\ rho = \ frac {m} {V}
for tæthedρ("rho") generelt i kg / m3, massemi kg og volumenVi m3. For eksempel, hvis du havde 100 kg luft, der tog et volumen på 1 m3ville densiteten være 100 kg / m3.
For at få en bedre idé om tætheden af luft specifikt skal du tage højde for, hvordan luft er lavet af forskellige gasser, når du formulerer dens densitet. Ved konstant temperatur, tryk og volumen er tør luft typisk lavet af 78% nitrogen (N2), 21% ilt (O2) og en procent argon (Ar).
For at tage højde for effekten af disse molekyler på lufttrykket kan du beregne luftmassen som summen af kvælstofs to atomer på hver 14 atomenheder, iltets to atomer på hver 16 atomenheder og argons enkeltatom på 18 atomer enheder.
Hvis luften ikke er helt tør, kan du også tilføje nogle vandmolekyler (H2O) som er to atomenheder for de to hydrogenatomer og 16 atomenheder for det entydige iltatom. Hvis du beregner, hvor meget luftmasse du har, kan du antage, at disse kemiske bestanddele er fordeles jævnt over det og derefter beregne procentdelen af disse kemiske komponenter i tørt luft.
Du kan også bruge den specifikke vægt, forholdet mellem vægt og volumen ved beregning af densitet. Den specifikke vægtγ("gamma") er givet ved ligningen
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
der tilføjer en ekstra variabelgsom konstanten af tyngdeacceleration 9,8 m / s2. I dette tilfælde er masseproduktet og tyngdeacceleration gasens vægt og dividerer denne værdi med volumenVkan fortælle dig gasens specifikke vægt.
Lufttæthedsberegner
En online lufttæthedsberegner som den ved Ingeniørværktøjskasse lad dig beregne teoretiske værdier for lufttæthed ved givne temperaturer og tryk. Webstedet indeholder også en lufttæthedstabel med værdier ved forskellige temperaturer og tryk. Disse grafer viser, hvordan tæthed og specifik vægt falder ved højere temperatur- og trykværdier.
Du kan gøre dette på grund af Avogadros lov, der siger, "lige store mængder af alle gasser, ved samme temperatur og tryk, har det samme antal molekyler." For det grund, forskere og ingeniører bruger dette forhold til at bestemme temperatur, tryk eller tæthed, når de kender andre oplysninger om et gasvolumen, de er studerer.
Krumning af disse grafer betyder, at der er et logaritmisk forhold mellem disse størrelser. Du kan vise, at dette matcher teorien ved at omarrangere den ideelle gaslov:
PV = mRT
for presP, volumenV, massen af gassenm, gaskonstantR(0,1667226 J / kg K) og temperaturTat fåρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
hvoriρer densitet i enheder afm / V.masse / volumen (kg / m3). Husk, at denne version af den ideelle gaslov brugerRgaskonstant i masseenheder, ikke mol.
Variationen af den ideelle gaslov viser, at når temperaturen stiger, stiger densiteten logaritmisk, fordi1 / T.er proportional medρ.Dette omvendte forhold beskriver krumningen af lufttæthedsgraferne og lufttæthedstabellerne.
Lufttæthed vs. Højde
Tør luft kan falde under en af to definitioner. Det kan være luft uden spor af vand i den, eller det kan være luft med lav relativ relativ fugtighed, som kan ændres i højere højder. Lufttæthedstabeller som den på Omnicalculator vise, hvordan lufttætheden ændres i forhold til højden. Omnicalculator har også en lommeregner til at bestemme lufttrykket i en given højde.
Når højden stiger, falder lufttrykket primært på grund af tyngdekraften mellem luft og jorden. Dette skyldes, at tyngdekraftens tiltrækning mellem jorden og luftmolekylerne falder, hvilket mindsker kræftens tryk mellem molekylerne, når du går til højere højder.
Det sker også, fordi molekylerne selv har mindre vægt, fordi mindre vægt på grund af tyngdekraften i højere højder. Dette forklarer, hvorfor nogle fødevarer tager længere tid at lave mad, når de er i højere højder, da de har brug for mere varme eller en højere temperatur for at vække gasmolekylerne i dem.
Flyhøjdemålere, instrumenter, der måler højde, drager fordel af dette ved at måle tryk og bruge det til at estimere højden, normalt i form af gennemsnitlig havoverflade (MSL). Globale positionssystemer (GPS) giver dig et mere præcist svar ved at måle den faktiske afstand over havets overflade.
Enheder af tæthed
Forskere og ingeniører bruger for det meste SI-enhederne til tæthed på kg / m3. Andre anvendelser kan være mere anvendelige baseret på sag og formål. Mindre tætheder, såsom dem af sporstoffer i faste genstande som stål, kan generelt udtrykkes lettere ved hjælp af enheder på g / cm3. Andre mulige enheder af densitet inkluderer kg / l og g / ml.
Husk, at når du konverterer mellem forskellige enheder for tæthed, skal du tage højde for de tre dimensioner af volumen som en eksponentiel faktor, hvis du har brug for at ændre enhederne for volumen.
For eksempel, hvis du ville konvertere 5 kg / cm3 til kg / m3, ville du gange 5 med 1003, ikke kun 100, for at få resultatet af 5 x 106 kg / m3.
Andre praktiske konverteringer inkluderer 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / l = 1000 kg / m3 og 1 g / ml = 1000 kg / m3. Disse forhold viser alsidigheden af densitetsenheder til den ønskede situation.
I USA sædvanlige standarder for enheder er du måske mere vant til at bruge enheder som fødder eller pund i stedet for henholdsvis meter eller kilogram. I disse scenarier kan du huske nogle nyttige konverteringer som 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 og 1 lb / yd3 ≈ 0,037 lb / ft3. I disse tilfælde henviser ≈ til en tilnærmelse, fordi disse tal for konvertering ikke er nøjagtige.
Disse enheder af tæthed kan give dig en bedre idé om, hvordan du måler tætheden af mere abstrakte eller nuancerede begreber såsom energitætheden af materialer, der anvendes i kemiske reaktioner. Dette kan være energitætheden af brændstoffer, som biler bruger ved tænding, eller hvor meget kerneenergi der kan lagres i elementer som uran.
Sammenligning af lufttæthed med densitet af elektriske feltlinjer omkring et elektrisk ladet objekt kan for eksempel give dig en bedre idé om, hvordan man integrerer mængder over forskellige volumener.