Selv om det kan virke som ingenting, har luften rundt deg en tetthet. Tettheten av luft kan måles og studeres for fysikk og kjemi som vekt, masse eller volum. Forskere og ingeniører bruker denne kunnskapen til å lage utstyr og produkter som utnytter lufttrykk når du blåser dekk, sender materialer gjennom sugepumper og skaper vakuumtett sel.
Formel for lufttetthet
Den mest grunnleggende og greie formen for lufttetthet er ganske enkelt å dele luftmassen med volumet. Dette er standarddefinisjonen av tetthet som
\ rho = \ frac {m} {V}
for tetthetρ("rho") generelt i kg / m3, massemi kg og volumVi m3. For eksempel hvis du hadde 100 kg luft som tok opp et volum på 1 m3, ville tettheten være 100 kg / m3.
For å få et bedre inntrykk av tettheten av luft spesifikt, må du redegjøre for hvordan luft er laget av forskjellige gasser når du formulerer dens tetthet. Ved konstant temperatur, trykk og volum er tørr luft vanligvis laget av 78% nitrogen (N2), 21% oksygen (O2) og en prosent argon (Ar).
For å ta hensyn til effekten som disse molekylene har på lufttrykket, kan du beregne luftmassen som summen av nitrogen er to atomer på 14 atomenheter hver, oksygen er to atomer på 16 atomenheter hver og argons enkeltatom på 18 atomer enheter.
Hvis luften ikke er helt tørr, kan du også legge til noen vannmolekyler (H2O) som er to atomenheter for de to hydrogenatomene og 16 atomenheter for det unike oksygenatomet. Hvis du beregner hvor mye luftmasse du har, kan du anta at disse kjemiske bestanddelene er fordelt gjennom det jevnt og deretter beregne prosentandelen av disse kjemiske komponentene i tørr luft.
Du kan også bruke den spesifikke vekten, forholdet mellom vekt og volum i beregning av tetthet. Den spesifikke vektenγ("gamma") er gitt av ligningen
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
som legger til en ekstra variabelgsom konstanten av gravitasjonsakselerasjon 9,8 m / s2. I dette tilfellet er produktet av masse og gravitasjonsakselerasjon vekten av gassen, og deler denne verdien med volumetVkan fortelle deg gassens spesifikke vekt.
Kalkulator for lufttetthet
En online lufttetthets kalkulator som den ved Engineering Toolbox lar deg beregne teoretiske verdier for lufttetthet ved gitte temperaturer og trykk. Nettstedet gir også en lufttetthetstabell over verdier ved forskjellige temperaturer og trykk. Disse grafene viser hvordan tetthet og spesifikk vekt reduseres ved høyere verdier av temperatur og trykk.
Du kan gjøre dette på grunn av Avogadros lov, som sier "like mengder av alle gasser, ved samme temperatur og trykk, har samme antall molekyler." For dette grunn, forskere og ingeniører bruker dette forholdet til å bestemme temperatur, trykk eller tetthet når de vet annen informasjon om et volum gass de er studerer.
Krumningen til disse grafene betyr at det er et logaritmisk forhold mellom disse størrelsene. Du kan vise at dette samsvarer med teorien ved å omorganisere den ideelle gassloven:
PV = mRT
for pressP, volumV, masse av gassenm, gasskonstantR(0,1667226 J / kg K) og temperaturTå fåρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
derρer tetthet i enheter avm / V.masse / volum (kg / m3). Husk at denne versjonen av den ideelle gassloven brukerRgasskonstant i masseenheter, ikke mol.
Variasjonen av den ideelle gassloven viser at når temperaturen øker, øker tettheten logaritmisk fordi1 / Ter proporsjonal medρ.Dette omvendte forholdet beskriver krumningen til lufttetthetsgrafer og lufttetthetstabeller.
Lufttetthet vs. Høyde
Tørr luft kan falle inn under en av to definisjoner. Det kan være luft uten spor av vann i den, eller det kan være luft med lav relativ relativ fuktighet, som kan endres i høyere høyder. Lufttetthetstabeller som på Omnicalculator vise hvordan lufttettheten endres i forhold til høyden. Omnicalculator har også en kalkulator for å bestemme lufttrykket i en gitt høyde.
Når høyden øker, reduseres lufttrykket primært på grunn av gravitasjonsattraksjonen mellom luft og jorden. Dette skyldes at gravitasjonsattraksjonen mellom jorden og luftmolekylene avtar, og reduserer kreftens trykk mellom molekylene når du går til høyere høyder.
Det skjer også fordi molekylene har mindre vekt selv fordi mindre vekt på grunn av tyngdekraften i høyere høyder. Dette forklarer hvorfor noen matvarer tar lenger tid å lage mat når de er i større høyder, ettersom de trenger mer varme eller høyere temperatur for å begeistre gassmolekylene i dem.
Flyhøydemålere, instrumenter som måler høyde, utnytter dette ved å måle trykk og bruke det til å estimere høyde, vanligvis i form av gjennomsnittlig havnivå (MSL). Global Positioning Systems (GPS) gir deg et mer presist svar ved å måle den faktiske avstanden over havet.
Enheter av tetthet
Forskere og ingeniører bruker for det meste SI-enhetene for tetthet på kg / m3. Andre bruksområder kan være mer anvendelige basert på saken og formålet. Mindre tettheter som for sporstoffer i faste gjenstander som stål kan generelt uttrykkes lettere ved bruk av enheter på g / cm3. Andre mulige tetthetsenheter inkluderer kg / l og g / ml.
Husk at når du konverterer mellom forskjellige enheter for tetthet, må du ta hensyn til de tre dimensjonene av volumet som en eksponentiell faktor hvis du trenger å endre enhetene for volum.
For eksempel hvis du ønsket å konvertere 5 kg / cm3 til kg / m3multipliserer du 5 med 1003, ikke bare 100, for å få resultatet av 5 x 106 kg / m3.
Andre nyttige konverteringer inkluderer 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 og 1 g / ml = 1000 kg / m3. Disse forholdene viser allsidigheten til tetthetsenheter for ønsket situasjon.
I USAs vanlige standarder for enheter kan du være mer vant til å bruke enheter som føtter eller pund i stedet for henholdsvis meter eller kilo. I disse scenariene kan du huske noen nyttige konverteringer som 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 og 1 lb / yd3 ≈ 0,037 lb / ft3. I disse tilfellene refererer ≈ til en tilnærming fordi disse tallene for konvertering ikke er nøyaktige.
Disse enhetene av tetthet kan gi deg en bedre ide om hvordan du måler tettheten til mer abstrakte eller nyanserte konsepter, for eksempel energitettheten til materialer som brukes i kjemiske reaksjoner. Dette kan være energitettheten til drivstoff som biler bruker ved tenning, eller hvor mye kjernekraft som kan lagres i elementer som uran.
Sammenligning av lufttetthet med tetthet av elektriske feltlinjer rundt et elektrisk ladet objekt, for eksempel, kan gi deg en bedre ide om hvordan du integrerer mengder over forskjellige volumer.