Cómo calcular la densidad del aire

Aunque parezca nada, el aire que te rodea tiene una densidad. La densidad del aire se puede medir y estudiar en función de características de la física y la química, como su peso, masa o volumen. Los científicos e ingenieros utilizan este conocimiento para crear equipos y productos que aprovechan presión de aire al inflar neumáticos, enviar materiales a través de bombas de succión y crear herméticos al vacío focas.

La fórmula de densidad del aire más básica y sencilla es simplemente dividir la masa de aire por su volumen. Esta es la definición estándar de densidad como

para densidadρ("rho") generalmente en kg / m³, masametroen kg y volumenVEn m³. Por ejemplo, si tuviera 100 kg de aire que ocuparan un volumen de 1 m³, la densidad sería de 100 kg / m³.

Para tener una mejor idea de la densidad del aire específicamente, debe tener en cuenta cómo el aire está compuesto por diferentes gases al formular su densidad. A una temperatura, presión y volumen constantes, el aire seco generalmente está compuesto por un 78% de nitrógeno (

Para tener en cuenta el efecto que estas moléculas tienen sobre la presión del aire, puede calcular la masa de aire como la suma de los dos átomos de nitrógeno de 14 unidades atómicas cada uno, los dos átomos de oxígeno de 16 unidades atómicas cada uno y el átomo único de argón de 18 unidades atómicas unidades.

Si el aire no está completamente seco, también puede agregar algunas moléculas de agua (H₂O) que son dos unidades atómicas para los dos átomos de hidrógeno y 16 unidades atómicas para el átomo de oxígeno singular. Si calcula cuánta masa de aire tiene, puede asumir que estos componentes químicos son distribuidos uniformemente y luego calcular el porcentaje de estos componentes químicos en seco aire.

También puede utilizar el peso específico, la relación entre el peso y el volumen para calcular la densidad. El peso específicoγ("gamma") viene dada por la ecuación

que agrega una variable adicionalgramocomo constante de aceleración gravitacional 9,8 m / s². En este caso, el producto de la masa y la aceleración gravitacional es el peso del gas, y dividiendo este valor por el volumenVpuede decirle el peso específico del gas.

Una calculadora de densidad del aire en línea como la de Caja de herramientas de ingeniería le permite calcular valores teóricos para la densidad del aire a temperaturas y presiones dadas. El sitio web también proporciona una tabla de valores de densidad del aire a diferentes temperaturas y presiones. Estos gráficos muestran cómo la densidad y el peso específico disminuyen a valores más altos de temperatura y presión.

Puede hacer esto debido a la ley de Avogadro, que establece que "volúmenes iguales de todos los gases, a la misma temperatura y presión, tienen el mismo número de moléculas". Para esto razón, los científicos e ingenieros utilizan esta relación para determinar la temperatura, la presión o la densidad cuando conocen otra información sobre un volumen de gas que están estudiando.

La curvatura de estos gráficos significa que existe una relación logarítmica entre estas cantidades. Puede demostrar que esto coincide con la teoría reordenando la ley de los gases ideales:

para presionPAG, volumenV, masa del gasmetro, constante de gasR(0,167226 J / kg K) y temperaturaTLlegarρ​

en el cualρes la densidad en unidades dem / Vmasa / volumen (kg / m³). Tenga en cuenta que esta versión de la ley de los gases ideales utiliza laRconstante de gas en unidades de masa, no moles.

La variación de la ley de los gases ideales muestra que, a medida que aumenta la temperatura, la densidad aumenta logarítmicamente porque1 / Tes proporcional aρ.Esta relación inversa describe la curvatura de los gráficos de densidad del aire y las tablas de densidad del aire.

El aire seco puede caer bajo una de dos definiciones. Puede ser aire sin ningún rastro de agua o puede ser aire con una humedad de relatividad baja, que puede modificarse a mayor altitud. Tablas de densidad del aire como la de Omnicalculador mostrar cómo cambia la densidad del aire con respecto a la altitud. Omnicalculador También tiene una calculadora para determinar la presión del aire a una altitud determinada.

A medida que aumenta la altitud, la presión del aire disminuye principalmente debido a la atracción gravitacional entre el aire y la tierra. Esto se debe a que la atracción gravitacional entre la tierra y las moléculas de aire disminuye, disminuyendo la presión de las fuerzas entre las moléculas cuando se asciende a mayores altitudes.

También sucede porque las moléculas tienen menos peso en sí mismas porque tienen un peso menor debido a la gravedad a mayores altitudes. Esto explica por qué algunos alimentos tardan más en cocinarse cuando se encuentran en altitudes más altas, ya que necesitarán más calor o una temperatura más alta para excitar las moléculas de gas que contienen.

Los altímetros de las aeronaves, instrumentos que miden la altitud, aprovechan esto midiendo la presión y usándola para estimar la altitud, generalmente en términos de nivel medio del mar (MSL). Los sistemas de posiciones globales (GPS) le brindan una respuesta más precisa al medir la distancia real sobre el nivel del mar.

Los científicos e ingenieros utilizan principalmente las unidades SI para la densidad de kg / m³. Otros usos pueden ser más aplicables según el caso y el propósito. Las densidades más pequeñas, como las de los oligoelementos en objetos sólidos como el acero, generalmente se pueden expresar más fácilmente usando unidades de g / cm.³. Otras posibles unidades de densidad incluyen kg / L y g / mL.

Tenga en cuenta que, al convertir entre diferentes unidades de densidad, debe tener en cuenta las tres dimensiones del volumen como un factor exponencial si necesita cambiar las unidades de volumen.

Por ejemplo, si quisiera convertir 5 kg / cm³ a kg / m³, multiplicarías 5 por 100³, no solo 100, para obtener el resultado de 5 x 10⁶ kg / m³.

Otras conversiones útiles incluyen 1 g / cm³ = .001 kg / m³, 1 kg / L = 1000 kg / m³ y 1 g / mL = 1000 kg / m³. Estas relaciones muestran la versatilidad de las unidades de densidad para la situación deseada.

En los estándares de unidades habituales de los Estados Unidos, es posible que esté más acostumbrado a usar unidades como pies o libras en lugar de metros o kilogramos, respectivamente. En estos escenarios, puede recordar algunas conversiones útiles como 1 oz / in³ = 108 libras / pie³, 1 libra / gal ≈ 7,48 libras / pie³ y 1 lb / yd³ ≈ 0.037 libras / pie³. En estos casos, ≈ se refiere a una aproximación porque estos números para la conversión no son exactos.

Estas unidades de densidad pueden darle una mejor idea de cómo medir la densidad de conceptos más abstractos o matizados, como la densidad de energía de los materiales utilizados en las reacciones químicas. Esta podría ser la densidad energética de los combustibles que utilizan los automóviles en la ignición o cuánta energía nuclear se puede almacenar en elementos como el uranio.

Comparar la densidad del aire con la densidad de las líneas de campo eléctrico alrededor de un objeto cargado eléctricamente, por ejemplo, puede darle una mejor idea de cómo integrar cantidades en diferentes volúmenes.