Bár úgy tűnhet, hogy semmi, a körülötted lévő levegő sűrű. A levegő sűrűségét meg lehet mérni és tanulmányozni lehet a fizika és a kémia jellemzői, például súlya, tömege vagy térfogata szempontjából. A tudósok és mérnökök ezeket az ismereteket felhasználják olyan berendezések és termékek létrehozásához, amelyek kihasználják ezeket légnyomás gumiabroncsok felfújásakor, anyagok szállítása szivattyúkon keresztül és vákuumzárás létrehozása pecsétek.
Levegősűrűség képlet
A legalapvetőbb és legegyszerűbb légsűrűségi képlet egyszerűen a levegő tömegének elosztása térfogatával. Ez a sűrűség standard meghatározása
\ rho = \ frac {m} {V}
a sűrűségreρ("rho") általában kg / m-ben3, tömegmkg-ban és térfogatbanVm-ben3. Például, ha 100 kg levegője van, amely 1 m térfogatot vesz fel3, a sűrűség 100 kg / m lenne3.
Annak érdekében, hogy jobb képet kapjon a levegő sűrűségéről, a sűrűségének megfogalmazásakor figyelembe kell vennie, hogy a levegő hogyan készül különböző gázokból. Állandó hőmérsékleten, nyomáson és térfogaton a száraz levegő jellemzően 78% nitrogénből (
Kiszámíthatja a levegő tömegét annak összegeként, hogy figyelembe vegye e molekulák légnyomásra gyakorolt hatását a nitrogén két-egyenként 14 atomegységű atomja, az oxigén két-egyenként 16 atomegységű atomja és az argon 18 egyes atomja egységek.
Ha a levegő nem teljesen száraz, adhat hozzá néhány vízmolekulát (H2O), amelyek két atomegység a két hidrogénatomhoz és 16 atomegység az egyes oxigénatomhoz. Ha kiszámítja, hogy mekkora a levegő tömege, feltételezheti, hogy ezek a kémiai alkotóelemek igen egyenletesen oszlik el az egészben, majd számítsa ki ezeknek a kémiai komponenseknek a százalékát szárazon levegő.
A sűrűség kiszámításához felhasználhatja a fajlagos súlyt, a tömeg és a térfogat arányát is. A fajsúlyγ("gamma") az egyenlet adja
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
ami hozzáad egy további változótgmint a gravitációs gyorsulás állandója 9,8 m / s2. Ebben az esetben a tömeg és a gravitációs gyorsulás szorzata a gáz tömege, és ezt az értéket elosztva a térfogattalVmeg tudja mondani a gáz fajsúlyát.
Légsűrűség kalkulátor
Online légsűrűség-kalkulátor, például egy Mérnöki eszköztár segítségével kiszámíthatja a légsűrűség elméleti értékeit adott hőmérsékleten és nyomáson. A weboldalon megtalálható a különböző hőmérsékleteken és nyomásokon mért értékek légsűrűség-táblázata is. Ezek a grafikonok azt mutatják, hogy a sűrűség és a fajlagos tömeg hogyan csökken a magasabb hőmérsékleti és nyomási értékek mellett.
Megteheti ezt Avogadro törvénye miatt, amely kimondja, hogy "az összes gáz azonos térfogata, ugyanazon a hőmérsékleten és nyomáson, azonos számú molekula van". Ezért okból a tudósok és mérnökök ezt a kapcsolatot használják a hőmérséklet, a nyomás vagy a sűrűség meghatározásához, amikor más információt tudnak a gázmennyiségről tanul.
Ezen grafikonok görbülete azt jelenti, hogy ezen mennyiségek között logaritmikus összefüggés van. Megmutathatja, hogy ez megfelel az elméletnek, ha újrarendezi az ideális gáztörvényt:
PV = mRT
nyomásraP, hangerőV, a gáz tömegem, gázállandóR(0,1667226 J / kg K) és a hőmérsékletetThogy megszerezzemρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
amibenρsűrűsége egységbenm / Vtömeg / térfogat (kg / m3). Ne feledje, hogy az ideális gáztörvénynek ez a változata használja aRgázállandó tömegegységekben, nem molban.
Az ideális gáztörvény változása azt mutatja, hogy a hőmérséklet növekedésével a sűrűség logaritmikusan növekszik, mert1 / Tarányosρ.Ez az inverz összefüggés a légsűrűség-grafikonok és a sűrűség-táblázatok görbületét írja le.
Légsűrűség vs. Magasság
A száraz levegő a két meghatározás egyikébe tartozik. Lehet olyan levegő, amelyben nincs víz nyom, vagy alacsony relativitású páratartalmú levegő, amely nagyobb magasságokban változtatható. Légsűrűség táblázatok, mint például az Omnikulátor mutassa meg, hogyan változik a légsűrűség a magassághoz képest. Omnikulátor egy számológéppel is rendelkezik a légnyomás meghatározásához egy adott magasságban.
A magasság növekedésével a légnyomás elsősorban a levegő és a föld közötti gravitációs vonzerő miatt csökken. Ennek oka az, hogy a föld és a levegőmolekulák közötti gravitációs vonzerő csökken, ami csökkenti a molekulák közötti erők nyomását, ha nagyobb magasságba megy.
Ez azért is történik, mert a molekulák maguknak kisebb a súlyuk, mert a kisebb magasságú gravitáció miatt kisebb a súlyuk. Ez megmagyarázza, hogy egyes élelmiszereknek hosszabb ideig kell főzniük, ha nagyobb magasságban vannak, mivel több hőre vagy magasabb hőmérsékletre van szükségük a bennük lévő gázmolekulák gerjesztéséhez.
A repülőgép magasságmérői, a magasságot mérő műszerek ezt kihasználják a nyomás mérésével és ennek segítségével a magasság becslésével, általában az átlagos tengerszint (MSL) szempontjából. A globális helymeghatározó rendszerek (GPS) pontosabb választ adnak a tényleges tengerszint feletti távolság mérésével.
A sűrűség mértékegységei
A tudósok és mérnökök leginkább az SI egységeket használják a kg / m sűrűségre3. Más esetek az eset és a cél alapján alkalmazhatóbbak lehetnek. A kisebb sűrűségeket, például a szilárd tárgyak, például az acél nyomelemeinek sűrűségét, általában könnyebb kifejezni g / cm egységek alkalmazásával3. A sűrűség egyéb lehetséges mértékegységei a kg / l és a g / ml.
Ne feledje, hogy a különböző egységek közötti sűrűségre való átszámításkor exponenciális tényezőként számolnia kell a térfogat három dimenziójával, ha módosítania kell a mértékegység egységeit.
Például, ha 5 kg / cm-t szeretne átalakítani3 kg / m-ig3, akkor megszorozná az 5-öt 100-zal3, nem csak 100, hogy megkapja az 5 x 10 eredményt6 kg / m3.
Egyéb hasznos konverziók között 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / l = 1000 kg / m3 és 1 g / ml = 1000 kg / m3. Ezek a kapcsolatok megmutatják a sűrűségegységek sokoldalúságát a kívánt helyzethez.
Az Egyesült Államokban az egységek szokásos szabványaiban jobban meg lehet szokni, hogy méter vagy kilogramm helyett olyan egységeket használjon, mint a láb vagy a font. Ezekben a forgatókönyvekben emlékezhet néhány hasznos konverzióra, például 1 oz / hüvelykre3 = 108 font / ft3, 1 font / gal ≈ 7,48 lb / ft3 és 1 font / yd3 0,037 font / ft3. Ezekben az esetekben a an közelítésre utal, mivel ezek az átalakításra szolgáló számok nem pontosak.
Ezek a sűrűségi egységek jobb képet adnak arról, hogyan lehet mérni az elvontabb vagy árnyaltabb fogalmak sűrűségét, például a kémiai reakciókban használt anyagok energiasűrűségét. Ez lehet az autók gyújtásban használt üzemanyagainak energiasűrűsége, vagy mennyi atomenergia tárolható olyan elemekben, mint az urán.
Ha például összehasonlítjuk a légsűrűséget az elektromos térvezetékek sűrűségével egy elektromosan töltött tárgy körül, akkor jobb képet kaphat arról, hogyan lehet integrálni a mennyiségeket különböző térfogatokban.