Jak obliczyć gęstość powietrza

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.

Najbardziej podstawowy i najprostszy wzór na gęstość powietrza to po prostu podzielenie masy powietrza przez jego objętość. Jest to standardowa definicja gęstości jako

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

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 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:

na ciśnienieP, TomV, masa gazumi, stała gazowaR(0,167226 J/kg K) i temperaturaTdostaćρ​

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.

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.

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.