Vaikka se ei näytä olevan mitään, ympärilläsi olevalla ilmalla on tiheys. Ilman tiheys voidaan mitata ja tutkia fysiikan ja kemian ominaisuuksien, kuten sen painon, massan tai tilavuuden suhteen. Tutkijat ja insinöörit hyödyntävät tätä tietoa hyödyntämällä laitteita ja tuotteita ilmanpaine renkaita täytettäessä, materiaalien lähettäminen imupumppujen kautta ja tyhjiötiivis tiivisteet.
Ilman tiheyskaava
Kaikkein yksinkertaisin ja yksinkertaisin ilman tiheyskaava on yksinkertaisesti jakaa ilman massa sen tilavuudella. Tämä on tiheyden standardimääritelmä
\ rho = \ frac {m} {V}
tiheyden suhteenρ("rho") yleensä kilogrammoina / m3, massamkg: na ja tilavuutenaVmetreinä3. Jos sinulla on esimerkiksi 100 kg ilmaa, jonka tilavuus on 1 m3, tiheys olisi 100 kg / m3.
Saadaksesi paremman käsityksen ilman tiheydestä, sinun on otettava huomioon, kuinka ilma muodostuu eri kaasuista, kun määrität sen tiheyttä. Tasaisessa lämpötilassa, paineessa ja tilavuudessa kuiva ilma on tyypillisesti 78% typpeä (N2), 21% happea (O2) ja yksi prosentti argonia (Ar).
Voit ottaa huomioon näiden molekyylien vaikutuksen ilmanpaineeseen laskemalla ilman massan summana typen kaksi atomia, joista kukin on 14 atomiyksikköä, hapen kaksi atomia, joista kukin on 16 atomiyksikköä, ja argonin yksi atomi, jossa on 18 atomiyksikköä yksikköä.
Jos ilma ei ole täysin kuiva, voit myös lisätä vesimolekyylejä (H2O), jotka ovat kaksi atomiyksikköä kahdelle vetyatomille ja 16 atomiyksikköä singulaariselle happiatomille. Jos lasket, kuinka suuri ilmamassasi on, voit olettaa, että nämä kemialliset ainesosat ovat jakautuu tasaisesti ja lasketaan sitten näiden kemiallisten komponenttien prosenttiosuus kuivana ilmaa.
Tiheyden laskennassa voidaan käyttää myös ominaispainoa, painon ja tilavuuden suhdetta. Ominaispainoγ("gamma") saadaan yhtälöllä
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
joka lisää ylimääräisen muuttujangpainovoiman kiihtyvyyden vakiona 9,8 m / s2. Tässä tapauksessa massan ja painovoiman kiihtyvyyden tulo on kaasun paino ja jakamalla tämä arvo tilavuudellaVvoi kertoa kaasun ominaispainon.
Ilmatiheyden laskin
Online-tiheyslaskuri, kuten yksi Suunnittelutyökalut voit laskea ilman tiheyden teoreettiset arvot tietyissä lämpötiloissa ja paineissa. Sivusto tarjoaa myös ilmatiheystaulukon arvoista eri lämpötiloissa ja paineissa. Nämä kaaviot osoittavat kuinka tiheys ja ominaispaino laskevat korkeammissa lämpötila- ja paine-arvoissa.
Voit tehdä tämän Avogadron lain takia, jonka mukaan "yhtä suurilla määrillä kaikkia kaasuja samassa lämpötilassa ja paineessa on sama määrä molekyylejä". Tätä varten syystä tutkijat ja insinöörit käyttävät tätä suhdetta lämpötilan, paineen tai tiheyden määrittämiseen, kun he tietävät muuta tietoa kaasumäärästä opiskelu.
Näiden kaavioiden kaarevuus tarkoittaa, että näiden suureiden välillä on logaritminen suhde. Voit osoittaa, että tämä vastaa teoriaa järjestämällä ihanteellisen kaasulain:
PV = mRT
painetta vartenP, äänenvoimakkuusV, kaasun massam, kaasuvakioR(0,1667226 J / kg K) ja lämpötilaTsaadaρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
jossaρon tiheys yksikköinäm / Vmassa / tilavuus (kg / m3). Pidä mielessä tämä ihanteellisen kaasulain versioRkaasuvakio massayksikköinä, ei moolina.
Ihanteellisen kaasulain vaihtelu osoittaa, että lämpötilan noustessa tiheys kasvaa logaritmisesti1 / Ton verrannollinenρ.Tämä käänteinen suhde kuvaa ilman tiheyskaavioiden ja ilman tiheystaulukoiden kaarevuutta.
Ilman tiheys vs. Korkeus
Kuiva ilma voi kuulua toiseen määritelmään. Se voi olla ilmaa ilman jälkiä vedestä tai se voi olla ilmaa, jonka suhteellinen kosteus on alhainen ja jota voidaan muuttaa suuremmilla korkeuksilla. Ilmatiheystaulukot, kuten yksi Omnikaattori näytä kuinka ilmatiheys muuttuu suhteessa korkeuteen. Omnikaattori on myös laskin ilmanpaineen määrittämiseksi tietyllä korkeudella.
Korkeuden kasvaessa ilmanpaine laskee pääasiassa ilman ja maan välisen vetovoiman vuoksi. Tämä johtuu siitä, että maan ja ilmamolekyylien välinen gravitaatiovoima vähenee, mikä vähentää molekyylien välisten voimien painetta, kun siirryt korkeammalle.
Se tapahtuu myös siksi, että molekyyleillä on itse vähemmän painoa, koska paino on pienempi painovoiman johdosta suuremmilla korkeuksilla. Tämä selittää, miksi joidenkin ruokien kypsyminen kestää kauemmin suuremmissa korkeuksissa, koska ne tarvitsevat enemmän lämpöä tai korkeamman lämpötilan herättääkseen niiden sisällä olevat kaasumolekyylit.
Lentokorkeusmittarit, mittarit, jotka mittaavat korkeutta, hyödyntävät tätä mittaamalla painetta ja käyttämällä sitä korkeuden arvioimiseksi, yleensä merenpinnan keskiarvona (MSL). Globaalit paikannusjärjestelmät (GPS) antavat sinulle tarkemman vastauksen mittaamalla todellisen etäisyyden merenpinnan yläpuolella.
Tiheyden yksiköt
Tutkijat ja insinöörit käyttävät enimmäkseen SI-yksiköitä tiheydelle kg / m3. Muut käyttötavat voivat olla soveltuvampia tapauksen ja tarkoituksen perusteella. Pienemmät tiheydet, kuten hivenaineiden kiinteät esineet, kuten teräs, voidaan yleensä ilmaista helpommin käyttämällä yksikköä g / cm3. Muita mahdollisia tiheysyksikköjä ovat kg / l ja g / ml.
Muista, että muunnettaessa eri tiheysyksiköiden välillä sinun on otettava huomioon tilavuuden kolme ulottuvuutta eksponentiaalisena tekijänä, jos sinun on vaihdettava volyymiyksiköitä.
Esimerkiksi, jos haluat muuntaa 5 kg / cm3 kg / m3, kerrotaan 5 sadalla3, ei vain 100, saadaksesi tuloksen 5 x 106 kg / m3.
Muita käteviä tuloksia ovat 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / l = 1000 kg / m3 ja 1 g / ml = 1000 kg / m3. Nämä suhteet osoittavat tiheysyksiköiden monipuolisuuden haluttuun tilanteeseen.
Yhdysvaltojen tavanomaisissa mittayksiköissä saatat olla tottuneempi käyttämään yksiköitä, kuten jalat tai punnat, metrien tai kilogrammien sijaan. Näissä tilanteissa voit muistaa hyödyllisiä tuloksia, kuten 1 oz / in3 = 108 paunaa / ft31 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 ja 1 paunaa / yd3 0,037 paunaa / ft3. Näissä tapauksissa ≈ viittaa likiarvoon, koska nämä muunnosluvut eivät ole tarkkoja.
Nämä tiheysyksiköt voivat antaa sinulle paremman käsityksen siitä, kuinka mitata abstraktimpien tai vivahteikkaampien käsitteiden tiheys, kuten kemiallisissa reaktioissa käytettyjen materiaalien energiatiheys. Tämä voi olla autojen sytytyksessä käytettävien polttoaineiden energiatiheys tai kuinka paljon ydinenergiaa voidaan varastoida uraanin kaltaisiin elementteihin.
Esimerkiksi vertaamalla ilman tiheyttä sähkökenttäjohtojen tiheyteen esimerkiksi sähköisesti ladatun kohteen ympärillä voi saada paremman käsityksen siitä, kuinka integroida määrät eri tilavuuksille.