Lai arī tas var šķist nekas, gaisam ap jums ir blīvums. Gaisa blīvumu var izmērīt un izpētīt attiecībā uz fizikas un ķīmijas īpatnībām, piemēram, tā svaru, masu vai tilpumu. Zinātnieki un inženieri izmanto šīs zināšanas, izveidojot aprīkojumu un produktus, kas izmanto priekšrocības gaisa spiediens, piepūšot riepas, nosūtot materiālus caur sūkšanas sūkņiem un radot vakuuma necaurlaidību roņi.
Gaisa blīvuma formula
Visvienkāršākā un vienkāršākā gaisa blīvuma formula ir vienkārši sadalīt gaisa masu ar tās tilpumu. Šī ir blīvuma standarta definīcija
\ rho = \ frac {m} {V}
par blīvumuρ("rho") parasti kg / m3, masamkilogramos un tilpumāVm3. Piemēram, ja jums bija 100 kg gaisa, kas aizņēma 1 m tilpumu3, blīvums būtu 100 kg / m3.
Lai iegūtu labāku priekšstatu par gaisa blīvumu, formulējot tā blīvumu, jums jāņem vērā, kā gaiss ir izgatavots no dažādām gāzēm. Nemainīgā temperatūrā, spiedienā un tilpumā sausu gaisu parasti veido 78% slāpekļa (N2), 21% skābekļa (O2) un vienu procentu argona (Ar).
Lai ņemtu vērā šo molekulu ietekmi uz gaisa spiedienu, jūs varat aprēķināt gaisa masu kā summu slāpekļa divi atomi pa 14 atomu vienībām, divi skābekļa atomi pa 16 atomu vienībām un argona viens atoms ar 18 atomu vienībām vienības.
Ja gaiss nav pilnībā sauss, varat pievienot arī dažas ūdens molekulas (H2O), kas ir divas atomu vienības diviem ūdeņraža atomiem un 16 atomu vienības vienīgajam skābekļa atomam. Ja aprēķināsiet, cik liela gaisa masa jums ir, varat pieņemt, ka šīs ķīmiskās sastāvdaļas ir vienmērīgi sadalās pa visu un pēc tam aprēķina šo ķīmisko komponentu procentuālo daudzumu sausā veidā gaiss.
Blīvuma aprēķināšanā varat izmantot arī konkrēto svaru, svara un tilpuma attiecību. Konkrētais svarsγ("gamma") dod vienādojums
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
kas pievieno papildu mainīgogkā gravitācijas paātrinājuma konstante 9,8 m / s2. Šajā gadījumā masas un gravitācijas paātrinājuma reizinājums ir gāzes svars, un šo vērtību dalot ar tilpumuVvar pateikt gāzes īpatnējo svaru.
Gaisa blīvuma kalkulators
Tiešsaistes gaisa blīvuma kalkulators, piemēram, viens ar Inženierijas rīku kopa ļauj aprēķināt gaisa blīvuma teorētiskās vērtības noteiktās temperatūrās un spiedienos. Tīmekļa vietnē ir arī gaisa blīvuma tabula ar vērtībām dažādās temperatūrās un spiedienos. Šie grafiki parāda, kā blīvums un īpatnējais svars samazinās pie augstākām temperatūras un spiediena vērtībām.
To var izdarīt Avogadro likuma dēļ, kurā teikts, ka "vienādam visu gāzu apjomam vienā temperatūrā un spiedienā ir vienāds molekulu skaits". Priekš šī iemesla dēļ zinātnieki un inženieri izmanto šo sakarību, nosakot temperatūru, spiedienu vai blīvumu, ja viņi zina citu informāciju par esošo gāzes tilpumu studējot.
Šo grafiku izliekums nozīmē, ka starp šiem lielumiem pastāv logaritmiska saistība. Jūs varat pierādīt, ka tas atbilst teorijai, pārkārtojot ideālo gāzes likumu:
PV = mRT
par spiedienuP, apjomsV, gāzes masam, gāzes konstanteR(0,1667226 J / kg K) un temperatūruTdabūtρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
kurāρir blīvums vienībāsm / Vmasa / tilpums (kg / m3). Paturiet prātā, ka šī ideālā gāzes likuma versija izmantoRgāzes konstante masas vienībās, nevis molu.
Ideālā gāzes likuma variācijas rāda, ka, paaugstinoties temperatūrai, blīvums palielinās logaritmiski, jo1 / Tir proporcionālsρ.Šī apgrieztā sakarība apraksta gaisa blīvuma grafiku un gaisa blīvuma tabulu izliekumu.
Gaisa blīvums vs. Augstums
Uz sausu gaisu var attiecināt vienu no divām definīcijām. Tas var būt gaiss bez ūdens pēdām vai gaiss ar zemu relativitātes mitrumu, kuru var mainīt augstākos augstumos. Tādas gaisa blīvuma tabulas kā, piemēram, uz Omnikulators parādiet, kā mainās gaisa blīvums attiecībā pret augstumu. Omnikulators ir arī kalkulators, lai noteiktu gaisa spiedienu noteiktā augstumā.
Palielinoties augstumam, gaisa spiediens galvenokārt samazinās gravitācijas pievilcības dēļ starp gaisu un zemi. Tas ir tāpēc, ka gravitācijas piesaiste starp zemi un gaisa molekulām samazinās, samazinot spēku spiedienu starp molekulām, dodoties uz lielāku augstumu.
Tas notiek arī tāpēc, ka molekulām pašām ir mazāks svars, jo smaguma dēļ lielāks svars ir mazāks. Tas izskaidro, kāpēc dažu pārtikas produktu pagatavošana prasa ilgāku laiku, atrodoties lielākos augstumos, jo tiem būs nepieciešams vairāk siltuma vai augstāka temperatūra, lai uzbudinātu tajos esošās gāzes molekulas.
Lidmašīnu altimetri, instrumenti, kas mēra augstumu, to izmanto, mērot spiedienu un izmantojot to, lai novērtētu augstumu, parasti ņemot vērā vidējo jūras līmeni (MSL). Globālās pozīciju sistēmas (GPS) sniedz precīzāku atbildi, izmērot faktisko attālumu virs jūras līmeņa.
Blīvuma vienības
Zinātnieki un inženieri galvenokārt izmanto SI mērvienības, lai iegūtu blīvumu kg / m3. Citi lietojumi var būt piemērotāki, pamatojoties uz gadījumu un mērķi. Mazāku blīvumu, piemēram, mikroelementu blīvumu cietos priekšmetos, piemēram, tēraudā, parasti var izteikt vieglāk, izmantojot g / cm vienības3. Citas iespējamās blīvuma vienības ir kg / l un g / ml.
Paturiet prātā, pārveidojot starp dažādām blīvuma vienībām, jums jāņem vērā trīs apjoma dimensijas kā eksponenciāls faktors, ja jums ir jāmaina skaļuma mērvienības.
Piemēram, ja vēlaties pārveidot 5 kg / cm3 līdz kg / m3, jūs reizināt 5 ar 1003, nevis tikai 100, lai iegūtu rezultātu 5 x 106 kg / m3.
Citi parocīgi reklāmguvumi ietver 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / l = 1000 kg / m3 un 1 g / ml = 1000 kg / m3. Šīs attiecības parāda blīvuma vienību daudzpusību vēlamajā situācijā.
Amerikas Savienotajās Valstīs parastajos mērvienību standartos jūs, iespējams, esat pieraduši attiecīgi izmantot tādas mērvienības kā pēdas vai mārciņas, nevis metrus vai kilogramus. Šajos scenārijos varat atcerēties dažus noderīgus reklāmguvumus, piemēram, 1 oz / collā3 = 108 mārciņas / pēdas3, 1 mārciņa / gal 48 7,48 mārciņa / pēdas3 un 1 mārciņa / jard3 0,037 mārciņas / pēdas3. Šajos gadījumos ≈ attiecas uz aptuveno vērtību, jo šie skaitļi konvertēšanai nav precīzi.
Šīs blīvuma vienības var labāk izprast, kā izmērīt abstraktāku vai niansētāku jēdzienu blīvumu, piemēram, ķīmisko reakciju laikā izmantoto materiālu enerģijas blīvumu. Tas varētu būt enerģijas blīvums degvielām, kuras automašīnas izmanto aizdedzē, vai tas, cik daudz kodolenerģijas var uzglabāt tādos elementos kā urāns.
Piemēram, salīdzinot gaisa blīvumu ar elektriskā lauka līniju blīvumu ap elektriski uzlādētu objektu, varat iegūt labāku priekšstatu par to, kā integrēt daudzumus dažādos tilpumos.