Nors tai gali atrodyti nieko, oras aplink jus yra tankus. Oro tankį galima išmatuoti ir ištirti atsižvelgiant į fizikos ir chemijos ypatybes, tokias kaip jo svoris, masė ar tūris. Mokslininkai ir inžinieriai naudoja šias žinias kurdami įrangą ir produktus, kurie naudojasi privalumais oro slėgis pripučiant padangas, siunčiant medžiagas per įsiurbimo siurblius ir sukuriant vakuumą plombos.
Oro tankio formulė
Paprasčiausia ir paprasčiausia oro tankio formulė yra tiesiog padalinti oro masę iš jos tūrio. Tai yra standartinis tankio apibrėžimas kaip
\ rho = \ frac {m} {V}
už tankįρ("rho") paprastai kg / m3, masėmkg ir tūrioVm3. Pavyzdžiui, jei turėjote 100 kg oro, kuris užėmė 1 m tūrį3, tankis būtų 100 kg / m3.
Norėdami geriau suprasti oro tankį, turite atsižvelgti į tai, kaip oras susidaro iš skirtingų dujų, formuodamas jo tankį. Esant pastoviai temperatūrai, slėgiui ir tūriui, sausas oras paprastai susidaro iš 78% azoto (N2), 21% deguonies (O2) ir vienas procentas argono (Ar).
Norėdami atsižvelgti į šių molekulių poveikį oro slėgiui, galite apskaičiuoti oro masę kaip jų sumą du azoto atomai po 14 atominių vienetų, du deguonies atomai po 16 atominių vienetų ir vienintelis argono 18 atomų atomas. vienetų.
Jei oras nėra visiškai sausas, taip pat galite pridėti vandens molekulių (H2O), kurie yra du atominiai vienetai dviems vandenilio atomams ir 16 atominių vienetų vienaskaitos deguonies atomui. Jei apskaičiuosite, kiek oro masės turite, galite manyti, kad šios cheminės sudedamosios dalys yra pasiskirsto po tolygiai, tada apskaičiuokite šių cheminių komponentų procentinę dalį sausoje medžiagoje oro.
Skaičiuojant tankį, taip pat galite naudoti konkretų svorį, svorio ir tūrio santykį. Konkretus svorisγ(„gama“) pateikiama lygtimi
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
kad pridedamas papildomas kintamasisgkaip gravitacinio pagreičio konstanta 9,8 m / s2. Šiuo atveju masės ir gravitacinio pagreičio sandauga yra dujų masė, padalijant šią vertę iš tūrioVgali nurodyti konkretų dujų svorį.
Oro tankio skaičiuoklė
Interneto oro tankio skaičiuoklė, tokia kaip „by by“ Inžinerijos priemonių rinkinys leiskite apskaičiuoti teorines oro tankio vertes esant tam tikrai temperatūrai ir slėgiui. Svetainėje taip pat pateikiama oro tankio lentelė, kurioje pateikiamos skirtingos temperatūros ir slėgio vertės. Šie grafikai parodo, kaip tankis ir savitasis svoris mažėja esant aukštesnėms temperatūros ir slėgio vertėms.
Tai galite padaryti dėl Avogadro dėsnio, kuriame teigiama, kad „vienodi visų dujų tūriai, esant vienodai temperatūrai ir slėgiui, turi tą patį molekulių skaičių“. Už tai Dėl šios priežasties mokslininkai ir inžinieriai naudoja šį ryšį nustatydami temperatūrą, slėgį ar tankį, kai žino kitą informaciją apie dujų kiekį studijuodamas.
Šių grafikų kreivumas reiškia, kad tarp šių dydžių yra logaritminis ryšys. Galite parodyti, kad tai atitinka teoriją, pertvarkydami idealų dujų įstatymą:
PV = mRT
dėl spaudimoP, tūrisV, dujų masėm, dujų konstantaR(0,1667226 J / kg K) ir temperatūraTgautiρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
kuriameρyra tankis vienetaism / Vmasė / tūris (kg / m3). Turėkite omenyje, kad šioje idealių dujų įstatymų versijoje naudojamiRdujų konstanta masės vienetais, o ne apgamais.
Idealių dujų dėsnio kitimas rodo, kad, didėjant temperatūrai, tankis didėja logaritmiškai, nes1 / Tyra proporcingaρ.Šis atvirkštinis ryšys apibūdina oro tankio grafikų ir oro tankio lentelių kreivumą.
Oro tankis vs. Aukštis
Sausas oras gali patekti į vieną iš dviejų apibrėžimų. Tai gali būti oras be vandens pėdsakų arba oras, turintis mažą reliatyvumo drėgmę, kurį galima pakeisti didesniame aukštyje. Oro tankio lentelės, tokios kaip ant Omnikuliatorius parodykite, kaip keičiasi oro tankis, atsižvelgiant į aukštį. Omnikuliatorius taip pat turi skaičiuotuvą oro slėgiui tam tikrame aukštyje nustatyti.
Didėjant aukščiui, oro slėgis pirmiausia mažėja dėl gravitacinės traukos tarp oro ir žemės. Taip yra todėl, kad gravitacinė trauka tarp žemės ir oro molekulių mažėja, todėl einant į didesnį aukštį sumažėja jėgų tarp molekulių slėgis.
Taip pat atsitinka todėl, kad molekulės pačios turi mažiau svorio, nes mažesnė masė dėl gravitacijos didesniame aukštyje. Tai paaiškina, kodėl kai kurių maisto produktų gaminimas užtrunka ilgiau, kai jie būna didesniame aukštyje, nes jiems reikia daugiau šilumos ar aukštesnės temperatūros, kad sužadintų juose esančias dujų molekules.
Orlaivių aukščiamačiai, prietaisai, matuojantys aukštį, tuo naudojasi matuodami slėgį ir tuo naudodamiesi, kad įvertintų aukštį, paprastai kalbant apie vidutinį jūros lygį (MSL). Pasaulinės padėties nustatymo sistemos (GPS) suteikia jums tikslesnį atsakymą, matuojant faktinį atstumą virš jūros lygio.
Tankio vienetai
Mokslininkai ir inžinieriai dažniausiai naudoja SI vienetus, kai svoris kg / m3. Kiti naudojimo būdai gali būti labiau pritaikomi atsižvelgiant į atvejį ir tikslą. Mažesnį tankį, pvz., Mikroelementų, esančių kietuose objektuose, pvz., Pliene, tankį paprastai galima lengviau išreikšti naudojant g / cm vienetus3. Kiti galimi tankio vienetai yra kg / l ir g / ml.
Atminkite, kad perskaičiuojant skirtingus tankio vienetus reikia atsižvelgti į tris tūrio matmenis kaip eksponentinį veiksnį, jei reikia pakeisti tūrio vienetus.
Pavyzdžiui, jei norite konvertuoti 5 kg / cm3 iki kg / m3, padaugintumėte 5 iš 1003, o ne tik 100, kad gautumėte 5 x 10 rezultatą6 kg / m3.
Kitos patogios konversijos yra 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / l = 1000 kg / m3 ir 1 g / ml = 1000 kg / m3. Šie santykiai rodo tankio vienetų universalumą norimai situacijai.
Jungtinėse Amerikos Valstijose įprastais vienetų standartais galite būti labiau įpratę naudoti tokius vienetus kaip pėdos ar svarai, o ne metrai ar kilogramai. Pagal šiuos scenarijus galite prisiminti keletą naudingų konversijų, pvz., 1 oz / in3 = 108 svarai / pėdos31 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 ir 1 svaras / m3 0,037 svarų / pėdų3. Šiais atvejais ≈ reiškia apytikslę reikšmę, nes šie skaičiai, skirti perskaičiavimui, nėra tikslūs.
Šie tankio vienetai gali geriau suprasti, kaip išmatuoti abstraktesnių ar niuansuotesnių sąvokų, tokių kaip medžiagų, naudojamų cheminėse reakcijose, energijos tankį. Tai gali būti degalų, naudojamų deginant automobilius, energijos tankis arba tai, kiek branduolinės energijos galima sukaupti tokiuose elementuose kaip uranas.
Pavyzdžiui, palyginus oro tankį su elektrinio lauko linijų tankiu aplink elektra įkrautą objektą, galima geriau suprasti, kaip integruoti skirtingo tūrio kiekius.