Choć może się to wydawać niczym, powietrze wokół ciebie ma gęstość. Gęstość powietrza można mierzyć i badać pod kątem cech fizyki i chemii, takich jak jego waga, masa lub objętość. Naukowcy i inżynierowie wykorzystują tę wiedzę do tworzenia urządzeń i produktów, które wykorzystują ciśnienie powietrza podczas pompowania opon, przesyłania materiałów przez pompy ssące i tworzenia próżnioszczelności uszczelki.
Formuła gęstości powietrza
Najbardziej podstawowy i najprostszy wzór na gęstość powietrza to po prostu podzielenie masy powietrza przez jego objętość. Jest to standardowa definicja gęstości jako
\rho = \frac{m}{V}
dla gęstościρ("rho") ogólnie w kg/m3, masamiw kg i objętościVw mln3. Na przykład, gdybyś miał 100 kg powietrza, które zajmowało objętość 1 m3, gęstość wynosiłaby 100 kg/m3.
Aby uzyskać lepsze pojęcie o gęstości powietrza, podczas formułowania gęstości należy wziąć pod uwagę, w jaki sposób powietrze składa się z różnych gazów. Przy stałej temperaturze, ciśnieniu i objętości suche powietrze składa się zazwyczaj z 78% azotu (N2), 21% tlenu (O2) i jeden procent argonu (Ar).
Aby uwzględnić wpływ tych cząsteczek na ciśnienie powietrza, można obliczyć masę powietrza jako sumę dwa atomy azotu po 14 jednostek atomowych każdy, dwa atomy tlenu po 16 jednostek atomowych każdy i pojedynczy atom argonu po 18 atomów jednostki.
Jeśli powietrze nie jest całkowicie suche, możesz również dodać kilka cząsteczek wody (H2O), które są dwiema jednostkami atomowymi dla dwóch atomów wodoru i 16 jednostkami atomowymi dla pojedynczego atomu tlenu. Jeśli obliczysz, ile masz masy powietrza, możesz założyć, że te składniki chemiczne są rozprowadzone w nim równomiernie, a następnie obliczyć procent tych składników chemicznych w suchym powietrze.
Przy obliczaniu gęstości można również użyć ciężaru właściwego, stosunku ciężaru do objętości. Ciężar właściwyγ("gamma") jest podane przez równanie
\gamma = \frac{mg}{V}=\rho g
która dodaje dodatkową zmiennąsoljako stała przyspieszenia ziemskiego 9,8 m/s2. W tym przypadku iloczynem masy i przyspieszenia grawitacyjnego jest masa gazu i podzielenie tej wartości przez objętośćVmoże podać ciężar właściwy gazu.
Kalkulator gęstości powietrza
Kalkulator gęstości powietrza online, taki jak jeden by Zestaw narzędzi inżynierskich pozwalają obliczyć teoretyczne wartości gęstości powietrza w określonych temperaturach i ciśnieniach. Witryna zawiera również tabelę wartości gęstości powietrza w różnych temperaturach i ciśnieniach. Wykresy te pokazują, jak gęstość i ciężar właściwy maleją przy wyższych wartościach temperatury i ciśnienia.
Możesz to zrobić dzięki prawu Avogadro, które mówi, że „równe objętości wszystkich gazów, w tej samej temperaturze i ciśnieniu, mają taką samą liczbę cząsteczek”. Dla tego Z tego powodu naukowcy i inżynierowie wykorzystują tę zależność do określania temperatury, ciśnienia lub gęstości, gdy znają inne informacje o objętości gazu, którą są studia.
Krzywizna tych wykresów oznacza, że między tymi wielkościami istnieje logarytmiczna zależność. Możesz pokazać, że jest to zgodne z teorią, ponownie układając prawo gazu doskonałego:
PV=mRT
na ciśnienieP, TomV, masa gazumi, stała gazowaR(0,167226 J/kg K) i temperaturaTdostaćρ
\rho=\frac{P}{RT}
w którymρjest gęstością w jednostkachm/Vmasa/objętość (kg/m3). Należy pamiętać, że ta wersja prawa gazu doskonałego wykorzystuje usesRstała gazowa w jednostkach masy, nie molach.
Zmienność równania stanu gazu doskonałego pokazuje, że wraz ze wzrostem temperatury gęstość wzrasta logarytmicznie, ponieważ1/Tjest proporcjonalna doρ.Ta odwrotna zależność opisuje krzywiznę wykresów gęstości powietrza i tabel gęstości powietrza.
Gęstość powietrza a Wysokość
Suche powietrze może podlegać jednej z dwóch definicji. Może to być powietrze bez śladów wody lub może to być powietrze o niskiej wilgotności względnej, które można zmieniać na większych wysokościach. Tabele gęstości powietrza, takie jak ta na Omnikalkulator pokazać, jak zmienia się gęstość powietrza w zależności od wysokości. Omnikalkulator posiada również kalkulator do określania ciśnienia powietrza na danej wysokości.
Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie powietrza spada głównie z powodu przyciągania grawitacyjnego między powietrzem a ziemią. Dzieje się tak, ponieważ przyciąganie grawitacyjne między ziemią a cząsteczkami powietrza zmniejsza się, zmniejszając ciśnienie sił między cząsteczkami podczas wchodzenia na wyższe wysokości.
Dzieje się tak również dlatego, że same cząsteczki mają mniejszą wagę, ponieważ mają mniejszą wagę z powodu grawitacji na większych wysokościach. To wyjaśnia, dlaczego niektóre potrawy gotują się dłużej na większych wysokościach, ponieważ potrzebują więcej ciepła lub wyższej temperatury, aby pobudzić zawarte w nich cząsteczki gazu.
Wysokościomierze lotnicze, instrumenty mierzące wysokość, wykorzystują to, mierząc ciśnienie i wykorzystując je do oszacowania wysokości, zwykle w kategoriach średniego poziomu morza (MSL). Globalne systemy pozycjonowania (GPS) dają bardziej precyzyjną odpowiedź, mierząc rzeczywistą odległość nad poziomem morza.
Jednostki gęstości
Naukowcy i inżynierowie najczęściej używają jednostek SI dla gęstości kg/m3. Inne zastosowania mogą być bardziej odpowiednie w zależności od przypadku i celu. Mniejsze gęstości, takie jak pierwiastki śladowe w obiektach stałych, takich jak stal, można ogólnie łatwiej wyrazić za pomocą jednostek g/cm3. Inne możliwe jednostki gęstości to kg/L i g/mL.
Należy pamiętać, że przy przeliczaniu między różnymi jednostkami gęstości należy uwzględnić trzy wymiary objętości jako czynnik wykładniczy, jeśli trzeba zmienić jednostki objętości.
Na przykład, jeśli chcesz przeliczyć 5 kg/cm3 do kg/m²3, pomnożysz 5 przez 1003, a nie tylko 100, aby uzyskać wynik 5 x 106 kg/m²3.
Inne przydatne konwersje to 1 g/cm3 = 0,001 kg/m²3, 1 kg/l = 1000 kg/m3 i 1 g/ml = 1000 kg/m3. Zależności te pokazują wszechstronność jednostek gęstości dla pożądanej sytuacji.
W zwyczajowych standardach jednostek w Stanach Zjednoczonych możesz być bardziej przyzwyczajony do używania jednostek takich jak stopy lub funty, a nie odpowiednio metry lub kilogramy. W tych scenariuszach możesz zapamiętać kilka przydatnych konwersji, takich jak 1 uncja/cal3 = 108 funtów/stopę3, 1 funt / gal ≈ 7,48 funta / stopę3 i 1 funt/jard3 ≈0,037 funta/stopę3. W takich przypadkach ≈ odnosi się do przybliżenia, ponieważ te liczby do konwersji nie są dokładne.
Te jednostki gęstości mogą dać lepsze wyobrażenie o tym, jak mierzyć gęstość bardziej abstrakcyjnych lub zniuansowanych pojęć, takich jak gęstość energii materiałów używanych w reakcjach chemicznych. Może to być gęstość energii paliw używanych przez samochody do zapłonu lub ilość energii jądrowej, którą można zmagazynować w pierwiastkach takich jak uran.
Porównanie gęstości powietrza z gęstością linii pola elektrycznego wokół naładowanego elektrycznie obiektu, na przykład, może dać lepsze wyobrażenie o tym, jak integrować wielkości w różnych objętościach.