כיצד לחשב צפיפות אוויר

למרות שזה אולי נראה כמו כלום, לאוויר סביבך יש צפיפות. ניתן למדוד וללמוד את צפיפות האוויר למאפיינים של פיזיקה וכימיה כמו משקלו, מסתו או נפחו. מדענים ומהנדסים משתמשים בידע זה ביצירת ציוד ומוצרים המנצלים לחץ אוויר בעת ניפוח צמיגים, שליחת חומרים דרך משאבות יניקה ויצירת אטום לאקום כלבי ים.

הנוסחה הבסיסית והפשוטה ביותר לצפיפות אוויר היא פשוט לחלק את מסת האוויר בנפח שלה. זו ההגדרה הסטנדרטית של צפיפות כ-

לצפיפותρ("rho") בדרך כלל בק"ג / מ"ר³, מסהMבק"ג ובנפחוב מ³. לדוגמא, אם היה לך 100 ק"ג אוויר שתפס נפח של 1 מ '³הצפיפות תהיה 100 ק"ג / מ '³.

כדי לקבל מושג טוב יותר על צפיפות האוויר באופן ספציפי, עליכם להסביר כיצד האוויר עשוי מגזים שונים בעת ניסוח צפיפותו. בטמפרטורה, לחץ ונפח קבועים, אוויר יבש עשוי בדרך כלל מ- 78% חנקן (נ₂), 21% חמצן (או₂) ואחוז אחד בארגון (אר​).

כדי לקחת בחשבון את ההשפעה שיש למולקולות האלה על לחץ האוויר, אתה יכול לחשב את מסת האוויר כסכום של שני האטומים של החנקן של 14 יחידות אטום כל אחד, שני האטומים של חמצן של 16 יחידות אטום כל אחד והאטום היחיד של ארגון של 18 אטומים יחידות.

אם האוויר לא יבש לחלוטין, אתה יכול להוסיף גם כמה מולקולות מים (ה₂או) שהם שתי יחידות אטום לשני אטומי המימן ו -16 יחידות אטום לאטום החמצן היחיד. אם אתה מחשב כמה מסת אוויר יש לך, אתה יכול להניח שמרכיבים כימיים אלה הם מפוזרים לאורכו באופן אחיד ואז מחשבים את אחוז המרכיבים הכימיים הללו ביובש אוויר.

ניתן גם להשתמש במשקל הספציפי, ביחס בין המשקל לנפח בחישוב הצפיפות. המשקל הספציפיγ("גמא") ניתן על ידי המשוואה

זה מוסיף משתנה נוסףזכקבוע של האצת הכבידה 9.8 מ 'לשנייה². במקרה זה, תוצר האצה וכוח המשיכה הוא משקל הגז ומחלק ערך זה בנפחויכול להגיד לך את המשקל הספציפי של הגז.

מחשבון צפיפות אוויר מקוון כמו זה של ארגז כלים הנדסי מאפשר לך לחשב ערכים תיאורטיים לצפיפות אוויר בטמפרטורות ולחצים נתונים. האתר מספק גם טבלת צפיפות אוויר של ערכים בטמפרטורות ולחצים שונים. גרפים אלה מראים כיצד צפיפות ומשקל ספציפי יורדים בערכים גבוהים יותר של טמפרטורה ולחץ.

אתה יכול לעשות זאת בגלל החוק של אבוגדרו, הקובע כי "לנפחים שווים של כל הגזים, באותה הטמפרטורה והלחץ, יש מספר זהה של מולקולות." לזה סיבה, מדענים ומהנדסים משתמשים בקשר זה בקביעת טמפרטורה, לחץ או צפיפות כאשר הם יודעים מידע אחר על נפח הגז שהם לומד.

העקמומיות של גרפים אלה פירושה שיש קשר לוגריתמי בין הכמויות הללו. אתה יכול להראות שזה תואם את התיאוריה על ידי סידור מחדש של חוק הגז האידיאלי:

ללחץפ, כרךו, מסת הגזM, קבוע גזר(0.167226 J / kg K) וטמפרטורהטלהשיגρ​

בוρהוא צפיפות ביחידות שלm / V.מסה / נפח (ק"ג / מ '³). זכור גרסה זו של חוק הגז האידיאלי משתמשת ברקבוע גז ביחידות מסה, ולא שומות.

השונות של חוק הגז האידיאלי מראה שככל שהטמפרטורה עולה, הצפיפות עולה לוגריתמית בגלל ש1 / תהוא פרופורציונלי ל-ρ.קשר הפוך זה מתאר את העקמומיות של גרפי צפיפות האוויר וטבלאות צפיפות האוויר.

אוויר יבש יכול ליפול תחת אחת משתי ההגדרות. זה יכול להיות אוויר בלי שום זכר של מים בו או שזה יכול להיות אוויר עם לחות יחסית יחסית, שניתן לשנות אותו בגבהים גבוהים יותר. טבלאות צפיפות אוויר כמו זו המופעלת מחשבון אומני להראות כיצד צפיפות האוויר משתנה ביחס לגובה. מחשבון אומני יש לו גם מחשבון לקביעת לחץ אוויר בגובה נתון.

עם עליית הגובה, לחץ האוויר יורד בעיקר בגלל משיכת הכבידה בין האוויר לכדור הארץ. הסיבה לכך היא כי משיכת הכבידה בין כדור הארץ למולקולות האוויר פוחתת, מה שמקטין את לחץ הכוחות בין המולקולות כשאתה הולך לגבהים גבוהים יותר.

זה קורה גם מכיוון שלמולקולות יש פחות משקל עצמן מכיוון שמשקל נמוך יותר בגלל כוח המשיכה בגבהים גבוהים יותר. זה מסביר מדוע לאוכלים מסוימים לוקח יותר זמן לבשל כאשר הם נמצאים בגבהים גבוהים יותר מכיוון שהם יצטרכו יותר חום או טמפרטורה גבוהה יותר כדי לרגש את מולקולות הגז בתוכם.

גובה המטוסים, מכשירים המודדים גובה, מנצלים זאת על ידי מדידת לחץ ובאמצעותם להערכת הגובה, בדרך כלל במונחים של גובה פני הים (MSL). מערכות מיקום גלובליות (GPS) נותנות לך תשובה מדויקת יותר על ידי מדידת המרחק בפועל מעל פני הים.

מדענים ומהנדסים משתמשים בעיקר ביחידות ה- SI לצפיפות של ק"ג / מ"ר³. שימושים אחרים עשויים להיות שימושיים יותר בהתבסס על המקרה והמטרה. צפיפות קטנה יותר כמו אלה של יסודות קורט באובייקטים מוצקים כמו פלדה יכולה להתבטא בדרך כלל ביתר קלות באמצעות יחידות של g / cm³. יחידות צפיפות אפשריות אחרות כוללות ק"ג / ליטר ו- g / mL.

זכור, כאשר אתה ממיר בין יחידות שונות לצפיפות, עליך להתחשב בשלושת הממדים של הנפח כגורם אקספוננציאלי אם עליך לשנות את היחידות לנפח.

לדוגמא, אם רצית להמיר 5 ק"ג / ס"מ³ לק"ג / מ '³היית מכפיל 5 ב 100³, לא רק 100, כדי להשיג את התוצאה של 5 x 10⁶ ק"ג / מ '³.

המרות שימושיות אחרות כוללות 1 גרם / ס"מ³ = .001 ק"ג / מ '³, 1 ק"ג / ליטר = 1000 ק"ג / מ '³ ו- 1 גרם / מ"ל ​​= 1000 ק"ג / מ '³. קשרים אלה מראים את הרבגוניות של יחידות צפיפות למצב הרצוי.

בארצות הברית הסטנדרטים המקובלים של יחידות, אתה רגיל יותר להשתמש ביחידות כמו רגליים או קילוגרמים במקום מטרים או קילוגרמים, בהתאמה. בתרחישים אלה, אתה יכול לזכור כמה המרות שימושיות כמו 1 גרם / אינץ '³ = 108 lb / ft³, 1 lb / gal gal 7.48 lb / ft³ ו- 1 lb / yd³ 37 0.037 lb / ft³. במקרים אלה, ≈ מתייחס לקירוב מכיוון שמספרים אלה להמרה אינם מדויקים.

יחידות צפיפות אלה יכולות לתת לך מושג טוב יותר כיצד למדוד צפיפות של מושגים מופשטים או ניואנסים יותר כגון צפיפות האנרגיה של חומרים המשמשים בתגובות כימיות. זו יכולה להיות צפיפות האנרגיה של דלקים שמשמשים מכוניות בהצתה או כמה אנרגיה גרעינית ניתן לאחסן באלמנטים כמו אורניום.

השוואת צפיפות אוויר לצפיפות של קווי שדה חשמליים סביב אובייקט טעון חשמלי, למשל, יכולה לתת לך מושג טוב יותר כיצד לשלב כמויות על פני נפחים שונים.