Meskipun mungkin tampak seperti tidak ada apa-apa, udara di sekitar Anda memiliki kepadatan. Kepadatan udara dapat diukur dan dipelajari untuk fitur fisika dan kimia seperti berat, massa atau volumenya. Ilmuwan dan insinyur menggunakan pengetahuan ini dalam menciptakan peralatan dan produk yang memanfaatkan tekanan udara saat menggembungkan ban, mengirimkan material melalui pompa hisap dan menciptakan kedap vakum segel.
Formula Kepadatan Udara
Rumus kerapatan udara yang paling dasar dan sederhana hanyalah membagi massa udara dengan volumenya. Ini adalah definisi standar kepadatan sebagai
\rho = \frac{m}{V}
untuk kepadatanρ("rho") umumnya dalam kg/m3, massasayadalam kg dan volumeVdalam m3. Misalnya, jika Anda memiliki 100 kg udara yang mengambil volume 1 m3, massa jenisnya adalah 100 kg/m3.
Untuk mendapatkan gambaran yang lebih baik tentang kerapatan udara secara spesifik, Anda perlu memperhitungkan bagaimana udara terbuat dari berbagai gas saat merumuskan kerapatannya. Pada suhu, tekanan dan volume konstan, udara kering biasanya terbuat dari 78% nitrogen (
tidak2), 21% oksigen (HAI2) dan satu persen argon (Ar).Untuk memperhitungkan pengaruh molekul-molekul ini terhadap tekanan udara, Anda dapat menghitung massa udara sebagai jumlah dari dua atom nitrogen masing-masing 14 unit atom, dua atom oksigen masing-masing 16 unit atom dan atom tunggal argon 18 atom unit.
Jika udara tidak benar-benar kering, Anda juga dapat menambahkan beberapa molekul air (H2HAI) yang merupakan dua unit atom untuk dua atom hidrogen dan 16 unit atom untuk atom oksigen tunggal. Jika Anda menghitung berapa banyak massa udara yang Anda miliki, Anda dapat mengasumsikan bahwa konstituen kimia ini adalah: didistribusikan secara merata dan kemudian hitung persentase komponen kimia ini dalam keadaan kering udara.
Anda juga dapat menggunakan berat spesifik, rasio berat terhadap volume dalam menghitung kepadatan. Berat spesifikγ("gamma") diberikan oleh persamaan
\gamma = \frac{mg}{V}=\rho g
yang menambahkan variabel tambahangsebagai konstanta percepatan gravitasi 9,8 m/s2. Dalam hal ini, produk massa dan percepatan gravitasi adalah berat gas, dan membagi nilai ini dengan volumeVdapat memberitahu Anda berat spesifik gas.
Kalkulator Kepadatan Udara
Kalkulator kepadatan udara online seperti yang satu by Kotak Alat Rekayasa memungkinkan Anda menghitung nilai teoretis untuk kerapatan udara pada suhu dan tekanan tertentu. Situs web ini juga menyediakan tabel nilai kerapatan udara pada suhu dan tekanan yang berbeda. Grafik ini menunjukkan bagaimana kepadatan dan berat jenis menurun pada nilai suhu dan tekanan yang lebih tinggi.
Anda dapat melakukan ini karena hukum Avogadro, yang menyatakan, "semua gas dengan volume yang sama, pada suhu dan tekanan yang sama, memiliki jumlah molekul yang sama." Untuk ini alasannya, para ilmuwan dan insinyur menggunakan hubungan ini dalam menentukan suhu, tekanan, atau kepadatan ketika mereka mengetahui informasi lain tentang volume gas mereka belajar.
Kelengkungan grafik ini berarti ada hubungan logaritmik antara besaran-besaran tersebut. Anda dapat menunjukkan bahwa ini cocok dengan teori dengan mengatur ulang hukum gas ideal:
PV = mRT
untuk tekananP, volumeV, massa gassaya, konstanta gasR(0,167226 J/kg K) dan suhuTmendapatkanρ
\rho=\frac{P}{RT}
di manaρadalah densitas dalam satuanm/Vmassa/volume (kg/m3). Ingatlah versi hukum gas ideal ini menggunakanRkonstanta gas dalam satuan massa, bukan mol.
Variasi hukum gas ideal menunjukkan bahwa, dengan meningkatnya suhu, densitas meningkat secara logaritmik karena1/Tsebanding denganρ.Hubungan terbalik ini menggambarkan kelengkungan grafik kerapatan udara dan tabel kerapatan udara.
Kepadatan Udara vs. Ketinggian
Udara kering dapat jatuh di bawah salah satu dari dua definisi. Ini bisa berupa udara tanpa jejak air di dalamnya atau bisa juga udara dengan kelembaban relativitas rendah, yang dapat berubah pada ketinggian yang lebih tinggi. Tabel kepadatan udara seperti yang ada di Omnikalkulator menunjukkan bagaimana kepadatan udara berubah sehubungan dengan ketinggian. Omnikalkulator juga memiliki kalkulator untuk menentukan tekanan udara pada ketinggian tertentu.
Ketika ketinggian meningkat, tekanan udara menurun terutama karena gaya tarik gravitasi antara udara dan bumi. Ini karena gaya tarik gravitasi antara bumi dan molekul-molekul udara berkurang, mengurangi tekanan gaya antar molekul ketika Anda pergi ke tempat yang lebih tinggi.
Hal ini juga terjadi karena molekul memiliki bobot yang lebih kecil karena bobot yang lebih rendah akibat gravitasi pada ketinggian yang lebih tinggi. Ini menjelaskan mengapa beberapa makanan membutuhkan waktu lebih lama untuk dimasak ketika berada di ketinggian yang lebih tinggi karena mereka akan membutuhkan lebih banyak panas atau suhu yang lebih tinggi untuk merangsang molekul gas di dalamnya.
Altimeter pesawat, instrumen yang mengukur ketinggian, memanfaatkannya dengan mengukur tekanan dan menggunakannya untuk memperkirakan ketinggian, biasanya dalam istilah mean-sea-level (MSL). Sistem posisi global (GPS) memberi Anda jawaban yang lebih tepat dengan mengukur jarak sebenarnya di atas permukaan laut.
Satuan Kepadatan
Para ilmuwan dan insinyur kebanyakan menggunakan satuan SI untuk massa jenis kg/m3. Penggunaan lain mungkin lebih dapat diterapkan berdasarkan kasus dan tujuannya. Kepadatan yang lebih kecil seperti elemen jejak dalam benda padat seperti baja umumnya dapat dinyatakan dengan lebih mudah menggunakan satuan g/cm3. Satuan densitas lain yang mungkin termasuk kg/L dan g/mL.
Ingatlah, saat mengonversi antara satuan yang berbeda untuk kerapatan, Anda perlu memperhitungkan tiga dimensi volume sebagai faktor eksponensial jika Anda perlu mengubah satuan volume.
Misalnya, jika Anda ingin mengonversi 5 kg/cm3 ke kg/m3, Anda akan mengalikan 5 dengan 1003, tidak hanya 100, untuk mendapatkan hasil 5 x 106 kg/m3.
Konversi praktis lainnya termasuk 1 g/cm3 = .001 kg/m3, 1 kg/L = 1000 kg/m3 dan 1 g/mL = 1000 kg/m3. Hubungan ini menunjukkan keserbagunaan unit kepadatan untuk situasi yang diinginkan.
Dalam standar standar Amerika Serikat, Anda mungkin lebih terbiasa menggunakan satuan seperti kaki atau pound daripada meter atau kilogram, masing-masing. Dalam skenario ini, Anda dapat mengingat beberapa konversi yang berguna seperti 1 ons/in3 = 108 pon / kaki3, 1 lb / gal 7,48 lb / ft3 dan 1 lb/yd3 0,037 lb / kaki3. Dalam kasus ini, mengacu pada perkiraan karena angka untuk konversi ini tidak tepat.
Satuan densitas ini dapat memberi Anda gambaran yang lebih baik tentang cara mengukur densitas dari konsep yang lebih abstrak atau bernuansa seperti densitas energi bahan yang digunakan dalam reaksi kimia. Ini bisa menjadi kepadatan energi bahan bakar mobil yang digunakan dalam pengapian atau berapa banyak energi nuklir yang dapat disimpan dalam unsur-unsur seperti uranium.
Membandingkan kerapatan udara dengan kerapatan garis medan listrik di sekitar objek bermuatan listrik, misalnya, dapat memberi Anda gagasan yang lebih baik tentang bagaimana mengintegrasikan kuantitas pada volume yang berbeda.