Iako se možda čini kao ništa, zrak oko vas ima gustoću. Gustoća zraka može se mjeriti i proučavati za značajke fizike i kemije poput njegove težine, mase ili volumena. Znanstvenici i inženjeri koriste ovo znanje u stvaranju opreme i proizvoda koji koriste zračni tlak prilikom napuhavanja guma, slanja materijala kroz usisne pumpe i stvaranja nepropusnosti za vakuum tuljani.
Formula gustoće zraka
Najosnovnija i najjednostavnija formula gustoće zraka jednostavno je dijeljenje mase zraka s volumenom. Ovo je standardna definicija gustoće kao
\ rho = \ frac {m} {V}
za gustoćuρ("rho") općenito u kg / m3, masamu kg i zapreminiVu M3. Na primjer, ako ste imali 100 kg zraka koji je zauzimao zapreminu od 1 m3, gustoća bi bila 100 kg / m3.
Da biste konkretno imali bolju predodžbu o gustoći zraka, trebate uzeti u obzir kako se zrak stvara od različitih plinova prilikom formuliranja njegove gustoće. Pri konstantnoj temperaturi, tlaku i volumenu, suhi zrak obično se sastoji od 78% dušika (N2), 21% kisika (O2) i jedan posto argona (Ar).
Da biste uzeli u obzir učinak koji ove molekule imaju na tlak zraka, masu zraka možete izračunati kao zbroj dva atoma dušika od po 14 atomskih jedinica, dva atoma kisika od po 16 atomskih jedinica i pojedinačni atom argona od 18 atomskih jedinica jedinice.
Ako zrak nije potpuno suh, možete dodati i neke molekule vode (H2O) koje su dvije atomske jedinice za dva atoma vodika i 16 atomskih jedinica za pojedinačni atom kisika. Ako izračunate koliku masu zraka imate, možete pretpostaviti da su ti kemijski sastojci ravnomjerno rasporediti po njemu i zatim izračunati postotak tih kemijskih komponenata u suhom zrak.
Također možete koristiti određenu težinu, omjer težine i volumena za izračunavanje gustoće. Specifična težinaγ("gama") dana je jednadžbom
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
to dodaje dodatnu varijablugkao konstanta gravitacijskog ubrzanja 9,8 m / s2. U ovom je slučaju umnožak mase i gravitacijskog ubrzanja težina plina i dijeljenje ove vrijednosti s volumenomVmogu vam reći specifičnu težinu plina.
Kalkulator gustoće zraka
Mrežni kalkulator gustoće zraka poput one by Inženjerski alat omogućuju vam izračunavanje teoretskih vrijednosti gustoće zraka pri zadanim temperaturama i tlakovima. Web stranica također nudi tablicu gustoće zraka vrijednosti pri različitim temperaturama i tlakovima. Ovi grafikoni pokazuju kako se gustoća i specifična težina smanjuju pri višim vrijednostima temperature i tlaka.
To možete učiniti zbog Avogadrovog zakona koji kaže: "jednake količine svih plinova, pri istoj temperaturi i tlaku, imaju jednak broj molekula." Za ovo iz tog razloga, znanstvenici i inženjeri koriste ovaj odnos u određivanju temperature, tlaka ili gustoće kada znaju druge informacije o količini plina koji jesu studiranje.
Zakrivljenost ovih grafikona znači da postoji logaritamski odnos između ovih veličina. Možete pokazati da se ovo poklapa s teorijom preuređivanjem zakona idealnog plina:
PV = mRT
za pritisakStr, volumenV, masa plinam, plinska konstantaR(0,167226 J / kg K) i temperatureTdobitiρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
u kojemρje gustoća u jedinicamam / Vmasa / zapremina (kg / m3). Imajte na umu da ova verzija zakona o idealnom plinu koristiRplinska konstanta u jedinicama mase, ne molovima.
Varijacija zakona idealnog plina pokazuje da, kako temperatura raste, gustoća raste logaritamski jer1 / Tproporcionalan jeρ.Ovaj inverzni odnos opisuje zakrivljenost grafikona gustoće zraka i tablica gustoće zraka.
Gustoća zraka vs. Visina
Suhi zrak može spadati u jednu od dvije definicije. To može biti zrak bez traga vode u sebi ili zrak s niskom relativnom vlagom, koji se može mijenjati na većim nadmorskim visinama. Tablice gustoće zraka poput one na Omnikulator pokazati kako se gustoća zraka mijenja s obzirom na nadmorsku visinu. Omnikulator također ima kalkulator za određivanje tlaka zraka na određenoj visini.
Kako se visina povećava, tlak zraka opada prvenstveno zbog gravitacijskog privlačenja između zraka i zemlje. To je zato što se gravitacijsko privlačenje između zemlje i molekula zraka smanjuje, smanjujući pritisak sila između molekula kad idete na veće nadmorske visine.
To se događa i zato što molekule same imaju manju težinu, jer imaju manju težinu zbog gravitacije na većim nadmorskim visinama. To objašnjava zašto se nekoj hrani treba duže kuhati na većim nadmorskim visinama, jer će im trebati više topline ili viša temperatura da pobude molekule plina u sebi.
Zrakoplovni visinomjeri, instrumenti koji mjere nadmorsku visinu, to iskorištavaju mjerenjem tlaka i pomoću njega za procjenu nadmorske visine, obično u smislu srednje razine mora (MSL). Sustavi globalnih položaja (GPS) daju vam precizniji odgovor mjerenjem stvarne udaljenosti iznad razine mora.
Jedinice gustoće
Znanstvenici i inženjeri uglavnom koriste SI jedinice za gustoću kg / m3. Ostale uporabe mogu biti primjenjivije ovisno o slučaju i svrsi. Manje gustoće, poput one u tragovima u čvrstim predmetima poput čelika, općenito se mogu lakše izraziti pomoću jedinica g / cm3. Ostale moguće jedinice gustoće uključuju kg / L i g / ml.
Imajte na umu da prilikom pretvorbe između različitih jedinica za gustoću trebate uzeti u obzir tri dimenzije volumena kao eksponencijalni faktor ako trebate promijeniti jedinice za volumen.
Na primjer, ako ste željeli pretvoriti 5 kg / cm3 do kg / m3, pomnožili biste 5 sa 1003, ne samo 100, da bismo dobili rezultat 5 x 106 kg / m3.
Ostale praktične pretvorbe uključuju 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 i 1 g / ml = 1000 kg / m3. Ti odnosi pokazuju svestranost jedinica gustoće za željenu situaciju.
U uobičajenim standardima jedinica u Sjedinjenim Državama možda ćete biti naviknutiji upotrebljavati jedinice poput stopala ili kilograma umjesto metara ili kilograma. U tim scenarijima možete se sjetiti nekih korisnih pretvorbi poput 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 i 1 lb / m3 ≈ 0,037 lb / ft3. U tim se slučajevima ≈ odnosi na aproksimaciju, jer ovi brojevi za pretvorbu nisu točni.
Te jedinice gustoće mogu vam dati bolju predodžbu o tome kako izmjeriti gustoću apstraktnijih ili nijansiranijih koncepata, poput gustoće energije materijala koji se koriste u kemijskim reakcijama. To bi mogla biti gustoća energije goriva koja automobili koriste za paljenje ili koliko nuklearne energije može biti pohranjeno u elementima poput urana.
Na primjer, usporedba gustoće zraka s gustoćom linija električnog polja oko električki nabijenog objekta može vam dati bolju ideju o tome kako integrirati količine u različite količine.