Bien que cela puisse sembler rien, l'air autour de vous a une densité. La densité de l'air peut être mesurée et étudiée pour des caractéristiques physiques et chimiques telles que son poids, sa masse ou son volume. Les scientifiques et les ingénieurs utilisent ces connaissances pour créer des équipements et des produits qui tirent parti des pression d'air lors du gonflage des pneus, de l'envoi de matériaux à travers des pompes d'aspiration et de la création d'étanchéité au vide scellés.
Formule de la densité de l'air
La formule de densité de l'air la plus simple et la plus simple consiste simplement à diviser la masse d'air par son volume. C'est la définition standard de la densité comme
\rho = \frac{m}{V}
pour la densitéρ("rho") généralement en kg/m3, Massemen kg et en volumeVdans M3. Par exemple, si vous aviez 100 kg d'air qui occupaient un volume de 1 m3, la densité serait de 100 kg/m3.
Pour avoir une meilleure idée de la densité de l'air en particulier, vous devez tenir compte de la façon dont l'air est composé de différents gaz lors de la formulation de sa densité. À température, pression et volume constants, l'air sec est généralement composé à 78 % d'azote (
N2), 21% d'oxygène (O2) et un pour cent d'argon (Ar).Pour prendre en compte l'effet que ces molécules ont sur la pression atmosphérique, vous pouvez calculer la masse d'air comme la somme de les deux atomes d'azote de 14 unités atomiques chacun, les deux atomes d'oxygène de 16 unités atomiques chacun et l'atome unique d'argon de 18 atomes unités.
Si l'air n'est pas complètement sec, vous pouvez également ajouter quelques molécules d'eau (H2O) qui sont deux unités atomiques pour les deux atomes d'hydrogène et 16 unités atomiques pour l'atome d'oxygène singulier. Si vous calculez la masse d'air dont vous disposez, vous pouvez supposer que ces constituants chimiques sont répartis uniformément partout, puis calculez le pourcentage de ces composants chimiques dans la matière sèche air.
Vous pouvez également utiliser le poids spécifique, le rapport du poids au volume dans le calcul de la densité. Le poids spécifiqueγ("gamma") est donné par l'équation
\gamma = \frac{mg}{V}=\rho g
qui ajoute une variable supplémentairegcomme constante de l'accélération gravitationnelle 9,8 m/s2. Dans ce cas, le produit de la masse et de l'accélération gravitationnelle est le poids du gaz, et en divisant cette valeur par le volumeVpeut vous dire le poids spécifique du gaz.
Calculateur de densité de l'air
Un calculateur de densité de l'air en ligne tel que celui de Boîte à outils d'ingénierie vous permettent de calculer les valeurs théoriques de la densité de l'air à des températures et des pressions données. Le site Web fournit également un tableau des valeurs de densité de l'air à différentes températures et pressions. Ces graphiques montrent comment la densité et le poids spécifique diminuent à des valeurs plus élevées de température et de pression.
Vous pouvez le faire grâce à la loi d'Avogadro, qui stipule que "des volumes égaux de tous les gaz, à la même température et pression, ont le même nombre de molécules". Pour ça Pour cette raison, les scientifiques et les ingénieurs utilisent cette relation pour déterminer la température, la pression ou la densité lorsqu'ils connaissent d'autres informations sur un volume de gaz qu'ils sont en train d'étudier.
La courbure de ces graphiques signifie qu'il existe une relation logarithmique entre ces quantités. Vous pouvez montrer que cela correspond à la théorie en réarrangeant la loi des gaz parfaits :
PV=mRT
pour la pressionP, le volumeV, masse du gazm, constante de gazR(0,167226 J/kg K) et la températureTpour obtenirρ
\rho=\frac{P}{RT}
dans lequelρest la densité en unités dem/Vmasse/volume (kg/m3). Gardez à l'esprit que cette version de la loi des gaz parfaits utilise leRconstante de gaz en unités de masse, pas en moles.
La variation de la loi des gaz parfaits montre que, lorsque la température augmente, la densité augmente de manière logarithmique car1/Test proportionnel àρ.Cette relation inverse décrit la courbure des graphiques de densité de l'air et des tableaux de densité de l'air.
Densité de l'air vs. Altitude
L'air sec peut relever de l'une des deux définitions suivantes. Il peut s'agir d'air sans aucune trace d'eau ou d'air avec une faible humidité relative, qui peut être modifiée à des altitudes plus élevées. Les tableaux de densité de l'air comme celui sur Omnicalculateur montrer comment la densité de l'air change en fonction de l'altitude. Omnicalculateur dispose également d'une calculatrice pour déterminer la pression atmosphérique à une altitude donnée.
À mesure que l'altitude augmente, la pression atmosphérique diminue principalement en raison de l'attraction gravitationnelle entre l'air et la terre. En effet, l'attraction gravitationnelle entre la terre et les molécules d'air diminue, diminuant la pression des forces entre les molécules lorsque vous vous rendez à des altitudes plus élevées.
Cela se produit également parce que les molécules ont elles-mêmes moins de poids parce que moins de poids en raison de la gravité à des altitudes plus élevées. Cela explique pourquoi certains aliments prennent plus de temps à cuire à des altitudes plus élevées, car ils auront besoin de plus de chaleur ou d'une température plus élevée pour exciter les molécules de gaz qu'ils contiennent.
Les altimètres d'avion, des instruments qui mesurent l'altitude, en tirent parti en mesurant la pression et en l'utilisant pour estimer l'altitude, généralement en termes de niveau moyen de la mer (MSL). Les systèmes de positionnement global (GPS) vous donnent une réponse plus précise en mesurant la distance réelle au-dessus du niveau de la mer.
Unités de densité
Les scientifiques et les ingénieurs utilisent principalement les unités SI pour la densité de kg/m3. D'autres utilisations peuvent être plus applicables en fonction du cas et du but. Les densités plus petites telles que celles des oligo-éléments dans les objets solides comme l'acier peuvent généralement être exprimées plus facilement en utilisant des unités de g/cm3. Les autres unités de densité possibles incluent le kg/L et le g/mL.
Gardez à l'esprit que lors de la conversion entre différentes unités de densité, vous devez tenir compte des trois dimensions du volume en tant que facteur exponentiel si vous devez modifier les unités de volume.
Par exemple, si vous vouliez convertir 5 kg/cm3 à kg/m3, tu multiplierais 5 par 1003, pas seulement 100, pour obtenir le résultat de 5 x 106 kg/m3.
D'autres conversions pratiques incluent 1 g/cm3 = 0,001 kg/m3, 1 kg/L = 1000 kg/m3 et 1 g/mL = 1000 kg/m3. Ces relations montrent la polyvalence des unités de densité pour la situation souhaitée.
Dans les normes d'unités habituelles des États-Unis, vous pouvez être plus habitué à utiliser des unités telles que les pieds ou les livres au lieu de mètres ou de kilogrammes, respectivement. Dans ces scénarios, vous pouvez vous souvenir de certaines conversions utiles comme 1 oz/in3 = 108 lb/pi3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / pi3 et 1 lb/vg3 0,037 lb/pi3. Dans ces cas, ≈ fait référence à une approximation car ces nombres pour la conversion ne sont pas exacts.
Ces unités de densité peuvent vous donner une meilleure idée de la façon de mesurer la densité de concepts plus abstraits ou nuancés tels que la densité énergétique des matériaux utilisés dans les réactions chimiques. Cela pourrait être la densité énergétique des carburants que les voitures utilisent pour l'allumage ou la quantité d'énergie nucléaire pouvant être stockée dans des éléments comme l'uranium.
Comparer la densité de l'air à la densité des lignes de champ électrique autour d'un objet chargé électriquement, par exemple, peut vous donner une meilleure idée de la façon d'intégrer des quantités sur différents volumes.