Hoe de luchtdichtheid te berekenen

Hoewel het misschien niets lijkt, heeft de lucht om je heen een dichtheid. De dichtheid van lucht kan worden gemeten en bestudeerd voor kenmerken van de natuurkunde en scheikunde, zoals het gewicht, de massa of het volume. Wetenschappers en ingenieurs gebruiken deze kennis bij het maken van apparatuur en producten die profiteren van: luchtdruk bij het oppompen van banden, het transporteren van materialen door zuigpompen en het vacuümdicht maken zegels.

De meest elementaire en rechttoe rechtaan formule voor luchtdichtheid is eenvoudigweg de luchtmassa te delen door het volume. Dit is de standaarddefinitie van dichtheid als

voor dichtheidρ("rho") algemeen in kg/m³, massamin kg en volumeVin M³. Als u bijvoorbeeld 100 kg lucht had die een volume van 1 m. in beslag nam³, zou de dichtheid 100 kg/m. zijn³.

Om een ​​beter idee te krijgen van de dichtheid van lucht in het bijzonder, moet u rekening houden met hoe lucht is gemaakt van verschillende gassen bij het formuleren van de dichtheid. Bij een constante temperatuur, druk en volume bestaat droge lucht meestal uit 78% stikstof (

Om rekening te houden met het effect dat deze moleculen hebben op de luchtdruk, kun je de luchtmassa berekenen als de som van de twee atomen van stikstof van elk 14 atoomeenheden, de twee atomen van zuurstof van elk 16 atoomeenheden en het enkele atoom van argon van 18 atomen eenheden.

Als de lucht niet helemaal droog is, kun je ook wat watermoleculen toevoegen (H₂O) die twee atomaire eenheden zijn voor de twee waterstofatomen en 16 atomaire eenheden voor het enkelvoudige zuurstofatoom. Als je uitrekent hoeveel massa lucht je hebt, kun je ervan uitgaan dat deze chemische bestanddelen: gelijkmatig verdeeld over het en bereken vervolgens het percentage van deze chemische componenten in droge lucht.

U kunt ook het soortelijk gewicht, de verhouding van het gewicht tot het volume, gebruiken bij het berekenen van de dichtheid. Het soortelijk gewicht:γ("gamma") wordt gegeven door de vergelijking

die een extra variabele toevoegtgals de constante van zwaartekrachtversnelling 9,8 m/s². In dit geval is het product van massa en zwaartekrachtversnelling het gewicht van het gas, en deze waarde te delen door het volumeVkan u het soortelijk gewicht van het gas vertellen.

Een online luchtdichtheidscalculator zoals die van Engineering Toolbox laat u theoretische waarden berekenen voor luchtdichtheid bij bepaalde temperaturen en drukken. De website biedt ook een luchtdichtheidstabel met waarden bij verschillende temperaturen en drukken. Deze grafieken laten zien hoe dichtheid en soortelijk gewicht afnemen bij hogere waarden van temperatuur en druk.

Je kunt dit doen vanwege de wet van Avogadro, die stelt: "gelijke volumes van alle gassen, bij dezelfde temperatuur en druk, hebben hetzelfde aantal moleculen." Voor deze reden, wetenschappers en ingenieurs gebruiken deze relatie bij het bepalen van temperatuur, druk of dichtheid wanneer ze andere informatie kennen over een gasvolume dat ze zijn aan het studeren.

Door de kromming van deze grafieken is er een logaritmisch verband tussen deze grootheden. Je kunt aantonen dat dit overeenkomt met de theorie door de ideale gaswet te herschikken:

voor drukP, volumeV, massa van het gasm, gasconstanteR(0.167226 J/kg K) en temperatuurTkrijgenρ​

waarinρis dichtheid in eenheden vanm/Vmassa/volume (kg/m³). Houd er rekening mee dat deze versie van de ideale gaswet gebruik maakt van deRgasconstante in eenheden van massa, niet in mol.

De variatie van de ideale gaswet laat zien dat, naarmate de temperatuur stijgt, de dichtheid logaritmisch toeneemt omdat1/TIs evenredig metρ.Deze inverse relatie beschrijft de kromming van de luchtdichtheidsgrafieken en luchtdichtheidstabellen.

Droge lucht kan onder een van de twee definities vallen. Het kan lucht zijn zonder enig spoor van water erin of het kan lucht zijn met een lage relatieve vochtigheid, die op grotere hoogte kan worden veranderd. Luchtdichtheidstabellen zoals die op Omnicalculator laten zien hoe de luchtdichtheid verandert ten opzichte van de hoogte. Omnicalculator heeft ook een rekenmachine om de luchtdruk op een bepaalde hoogte te bepalen.

Naarmate de hoogte toeneemt, neemt de luchtdruk af, voornamelijk als gevolg van de aantrekkingskracht tussen lucht en de aarde. Dit komt omdat de aantrekkingskracht tussen de aarde en de luchtmoleculen afneemt, waardoor de druk van de krachten tussen de moleculen afneemt wanneer je naar grotere hoogten gaat.

Het gebeurt ook omdat de moleculen zelf minder gewicht hebben omdat ze minder wegen door de zwaartekracht op grotere hoogten. Dit verklaart waarom sommige voedingsmiddelen op grotere hoogte langer nodig hebben om te koken, omdat ze meer warmte of een hogere temperatuur nodig hebben om de gasmoleculen erin te prikkelen.

Hoogtemeters van vliegtuigen, instrumenten die hoogte meten, profiteren hiervan door druk te meten en die te gebruiken om de hoogte te schatten, meestal in termen van gemiddeld zeeniveau (MSL). Global Position Systems (GPS) geeft u een nauwkeuriger antwoord door de werkelijke afstand boven zeeniveau te meten.

Wetenschappers en ingenieurs gebruiken meestal de SI-eenheden voor dichtheid van kg/m³. Ander gebruik kan meer van toepassing zijn op basis van het geval en het doel. Kleinere dichtheden zoals die van sporenelementen in vaste voorwerpen zoals staal kunnen over het algemeen gemakkelijker worden uitgedrukt in eenheden van g/cm³. Andere mogelijke eenheden van dichtheid zijn kg/L en g/mL.

Houd er rekening mee dat bij het converteren tussen verschillende eenheden voor dichtheid, u rekening moet houden met de drie dimensies van volume als een exponentiële factor als u de eenheden voor volume moet wijzigen.

Als u bijvoorbeeld 5 kg/cm. wilt omrekenen³ naar kg/m³, zou je 5 vermenigvuldigen met 100³, niet alleen 100, om het resultaat van 5 x 10. te krijgen⁶ kg/m³.

Andere handige conversies zijn 1 g/cm³ = .001 kg/m³, 1 kg/L = 1000 kg/m³ en 1 g/ml = 1000 kg/m³. Deze relaties tonen de veelzijdigheid van dichtheidseenheden voor de gewenste situatie.

In de in de Verenigde Staten gebruikelijke maatstaven voor eenheden, bent u wellicht meer gewend aan het gebruik van eenheden als voet of pond in plaats van respectievelijk meters of kilogram. In deze scenario's kun je enkele nuttige conversies onthouden, zoals 1 oz/in³ = 108 lb / ft³, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft³ en 1 lb/yd³ ≈ 0,037 lb / ft³. In deze gevallen verwijst ≈ naar een benadering omdat deze getallen voor conversie niet exact zijn.

Deze eenheden van dichtheid kunnen u een beter idee geven van hoe u de dichtheid van meer abstracte of genuanceerde concepten kunt meten, zoals de energiedichtheid van materialen die in chemische reacties worden gebruikt. Dit kan de energiedichtheid zijn van brandstoffen die auto's gebruiken bij ontsteking of hoeveel kernenergie kan worden opgeslagen in elementen zoals uranium.

Als u bijvoorbeeld de luchtdichtheid vergelijkt met de dichtheid van elektrische veldlijnen rond een elektrisch geladen object, krijgt u een beter idee van hoe u hoeveelheden over verschillende volumes kunt integreren.