Πώς να υπολογίσετε την πυκνότητα αέρα

Αν και δεν φαίνεται τίποτα, ο αέρας γύρω σας έχει πυκνότητα. Η πυκνότητα του αέρα μπορεί να μετρηθεί και να μελετηθεί για χαρακτηριστικά της φυσικής και της χημείας, όπως το βάρος, η μάζα ή ο όγκος του. Επιστήμονες και μηχανικοί χρησιμοποιούν αυτήν τη γνώση για τη δημιουργία εξοπλισμού και προϊόντων που εκμεταλλεύονται πίεση αέρα όταν φουσκώνετε ελαστικά, στέλνοντας υλικά μέσω αντλιών αναρρόφησης και δημιουργώντας στεγανή στο κενό σφραγίδες.

Η πιο βασική και απλή φόρμουλα πυκνότητας αέρα είναι απλά η διαίρεση της μάζας του αέρα με τον όγκο του. Αυτός είναι ο τυπικός ορισμός της πυκνότητας ως

για πυκνότηταρ("rho") γενικά σε kg / m³, μάζαΜσε kg και όγκοΒσε μ³. Για παράδειγμα, εάν είχατε 100 κιλά αέρα που καταλάμβανε όγκο 1 m³, η πυκνότητα θα ήταν 100 kg / m³.

Για να πάρετε μια καλύτερη ιδέα για την πυκνότητα του αέρα ειδικά, πρέπει να λάβετε υπόψη τον τρόπο με τον οποίο ο αέρας κατασκευάζεται από διαφορετικά αέρια κατά τη διαμόρφωση της πυκνότητας του. Σε σταθερή θερμοκρασία, πίεση και όγκο, ο ξηρός αέρας αποτελείται συνήθως από 78% άζωτο (

Για να λάβετε υπόψη την επίδραση που έχουν αυτά τα μόρια στην πίεση του αέρα, μπορείτε να υπολογίσετε τη μάζα του αέρα ως το άθροισμα του δύο άτομα αζώτου από 14 ατομικές μονάδες το καθένα, δύο άτομα οξυγόνου από 16 ατομικές μονάδες το καθένα και το μόνο άτομο αργού 18 ατομικών μονάδων μονάδες.

Εάν ο αέρας δεν είναι εντελώς στεγνός, μπορείτε επίσης να προσθέσετε μερικά μόρια νερού (Η₂Ο) που είναι δύο ατομικές μονάδες για τα δύο άτομα υδρογόνου και 16 ατομικές μονάδες για το μοναδικό άτομο οξυγόνου. Εάν υπολογίσετε πόση μάζα αέρα έχετε, μπορείτε να υποθέσετε ότι είναι αυτά τα χημικά συστατικά διανέμεται σε όλο αυτό ομοιόμορφα και στη συνέχεια υπολογίστε το ποσοστό αυτών των χημικών συστατικών σε ξηρό αέρας.

Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε το ειδικό βάρος, την αναλογία βάρους προς όγκο στον υπολογισμό της πυκνότητας. Το ειδικό βάροςγ("gamma") δίνεται από την εξίσωση

που προσθέτει μια επιπλέον μεταβλητήσολως η σταθερά της βαρυτικής επιτάχυνσης 9,8 m / s². Σε αυτήν την περίπτωση, το προϊόν μάζας και βαρυτικής επιτάχυνσης είναι το βάρος του αερίου και διαιρώντας αυτήν την τιμή με τον όγκοΒμπορεί να σας πει το ειδικό βάρος του αερίου.

Ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής πυκνότητας αέρα όπως αυτός από Εργαλειοθήκη μηχανικής σας επιτρέπουν να υπολογίσετε θεωρητικές τιμές για την πυκνότητα του αέρα σε δεδομένες θερμοκρασίες και πιέσεις. Ο ιστότοπος παρέχει επίσης έναν πίνακα τιμών πυκνότητας αέρα σε διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Αυτά τα γραφήματα δείχνουν πώς η πυκνότητα και το ειδικό βάρος μειώνονται σε υψηλότερες τιμές θερμοκρασίας και πίεσης.

Μπορείτε να το κάνετε αυτό λόγω του νόμου του Avogadro, ο οποίος αναφέρει ότι "ίσοι όγκοι όλων των αερίων, στην ίδια θερμοκρασία και πίεση, έχουν τον ίδιο αριθμό μορίων." Για αυτό λόγος, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν αυτήν τη σχέση για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας, της πίεσης ή της πυκνότητας όταν γνωρίζουν άλλες πληροφορίες σχετικά με τον όγκο του αερίου που είναι σπουδάζοντας.

Η καμπυλότητα αυτών των γραφημάτων σημαίνει ότι υπάρχει μια λογαριθμική σχέση μεταξύ αυτών των ποσοτήτων. Μπορείτε να δείξετε ότι ταιριάζει με τη θεωρία αναδιατάσσοντας τον ιδανικό νόμο για τα αέρια:

για πίεσηΠ, Ενταση ΗΧΟΥΒ, μάζα αερίουΜ, σταθερά αερίουΡ(0,167226 J / kg K) και θερμοκρασίαΤνα πάρωρ​

στο οποίορείναι πυκνότητα σε μονάδεςm / Vμάζα / όγκος (kg / m³). Λάβετε υπόψη ότι αυτή η έκδοση του ιδανικού νόμου για το φυσικό αέριο χρησιμοποιεί τοΡσταθερά αερίου σε μονάδες μάζας, όχι γραμμομόρια.

Η παραλλαγή του ιδανικού νόμου για το φυσικό αέριο δείχνει ότι, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η πυκνότητα αυξάνεται λογαριθμικά επειδή1 / Τείναι ανάλογη μερ.Αυτή η αντίστροφη σχέση περιγράφει την καμπυλότητα των γραφημάτων πυκνότητας αέρα και πινάκων πυκνότητας αέρα.

Ο ξηρός αέρας μπορεί να εμπίπτει σε έναν από τους δύο ορισμούς. Μπορεί να είναι αέρας χωρίς ίχνος νερού σε αυτό ή μπορεί να είναι αέρας με υγρασία χαμηλής σχετικότητας, η οποία μπορεί να αλλάξει σε μεγαλύτερα υψόμετρα. Πίνακες πυκνότητας αέρα, όπως αυτός σε Omnicalculator δείξτε πώς αλλάζει η πυκνότητα του αέρα σε σχέση με το υψόμετρο. Omnicalculator διαθέτει επίσης αριθμομηχανή για τον προσδιορισμό της πίεσης του αέρα σε ένα δεδομένο υψόμετρο.

Καθώς αυξάνεται το υψόμετρο, η πίεση του αέρα μειώνεται κυρίως λόγω της έλξης βαρύτητας μεταξύ αέρα και γης. Αυτό συμβαίνει επειδή η βαρυτική έλξη μεταξύ της γης και των μορίων του αέρα μειώνεται, μειώνοντας την πίεση των δυνάμεων μεταξύ των μορίων όταν πηγαίνετε σε υψηλότερα υψόμετρα.

Αυτό συμβαίνει επίσης επειδή τα μόρια έχουν το ίδιο βάρος, επειδή μικρότερο βάρος λόγω της βαρύτητας σε υψηλότερα υψόμετρα. Αυτό εξηγεί γιατί ορισμένα τρόφιμα χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να μαγειρέψουν όταν βρίσκονται σε υψηλότερα υψόμετρα καθώς θα χρειαστούν περισσότερη θερμότητα ή υψηλότερη θερμοκρασία για να διεγείρουν τα μόρια αερίου μέσα σε αυτά.

Τα υψόμετρα των αεροσκαφών, τα όργανα που μετρούν το υψόμετρο, το εκμεταλλεύονται με τη μέτρηση της πίεσης και το χρησιμοποιούν για να εκτιμήσουν το υψόμετρο, συνήθως ως προς το επίπεδο της μέσης θάλασσας (MSL). Τα συστήματα καθολικών θέσεων (GPS) σάς δίνουν μια πιο ακριβή απάντηση μετρώντας την πραγματική απόσταση πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας.

Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον τις μονάδες SI για πυκνότητα kg / m³. Άλλες χρήσεις μπορεί να είναι πιο εφαρμόσιμες με βάση την περίπτωση και το σκοπό. Μικρότερες πυκνότητες όπως αυτές των ιχνοστοιχείων σε στερεά αντικείμενα όπως ο χάλυβας μπορούν γενικά να εκφραστούν πιο εύκολα χρησιμοποιώντας μονάδες g / cm³. Άλλες πιθανές μονάδες πυκνότητας περιλαμβάνουν kg / L και g / mL.

Λάβετε υπόψη ότι, κατά τη μετατροπή μεταξύ διαφορετικών μονάδων για πυκνότητα, πρέπει να λάβετε υπόψη τις τρεις διαστάσεις της έντασης ως εκθετικό παράγοντα εάν πρέπει να αλλάξετε τις μονάδες για όγκο.

Για παράδειγμα, εάν θέλετε να μετατρέψετε 5 kg / cm³ έως kg / m³, θα πολλαπλασιάσατε 5 με 100³, όχι μόνο 100, για να λάβετε το αποτέλεσμα 5 x 10⁶ kg / m³.

Άλλες εύχρηστες μετατροπές περιλαμβάνουν 1 g / cm³ = 0,001 kg / m³, 1 kg / L = 1000 kg / m³ και 1 g / mL = 1000 kg / m³. Αυτές οι σχέσεις δείχνουν την ευελιξία των μονάδων πυκνότητας για την επιθυμητή κατάσταση.

Στα συνήθη πρότυπα μονάδων των Ηνωμένων Πολιτειών, μπορεί να έχετε συνηθίσει να χρησιμοποιείτε μονάδες όπως πόδια ή λίβρες αντί για μέτρα ή κιλά, αντίστοιχα. Σε αυτά τα σενάρια, μπορείτε να θυμάστε μερικές χρήσιμες μετατροπές, όπως 1 ουγκιά / σεντ³ = 108 λίβρες / πόδια³, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft³ και 1 lb / yd³ ≈ 0,037 λίβρες / πόδια³. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το ≈ αναφέρεται σε μια προσέγγιση επειδή αυτοί οι αριθμοί για μετατροπή δεν είναι ακριβείς.

Αυτές οι μονάδες πυκνότητας μπορούν να σας δώσουν μια καλύτερη ιδέα για τον τρόπο μέτρησης της πυκνότητας πιο αφηρημένων ή αποχρώσεων όπως η ενεργειακή πυκνότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται σε χημικές αντιδράσεις. Αυτό μπορεί να είναι η ενεργειακή πυκνότητα των καυσίμων που χρησιμοποιούν τα αυτοκίνητα στην ανάφλεξη ή πόση πυρηνική ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί σε στοιχεία όπως το ουράνιο.

Η σύγκριση της πυκνότητας αέρα με την πυκνότητα των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου γύρω από ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αντικείμενο, για παράδειγμα, μπορεί να σας δώσει μια καλύτερη ιδέα για το πώς να ενσωματώσετε ποσότητες σε διαφορετικούς όγκους.