Embora possa parecer nada, o ar ao seu redor tem uma densidade. A densidade do ar pode ser medida e estudada para características da física e química, como seu peso, massa ou volume. Cientistas e engenheiros usam esse conhecimento na criação de equipamentos e produtos que aproveitam pressão de ar ao inflar pneus, enviando materiais através de bombas de sucção e criando estanqueidade ao vácuo selos.
Fórmula de densidade do ar
A fórmula de densidade do ar mais básica e direta é simplesmente dividir a massa de ar por seu volume. Esta é a definição padrão de densidade como
\ rho = \ frac {m} {V}
para densidadeρ("rho") geralmente em kg / m3, massamem kg e volumeVem m3. Por exemplo, se você tivesse 100 kg de ar que ocupasse um volume de 1 m3, a densidade seria 100 kg / m3.
Para ter uma ideia melhor da densidade do ar especificamente, você precisa levar em consideração como o ar é feito de diferentes gases ao formular sua densidade. A uma temperatura, pressão e volume constantes, o ar seco é normalmente feito de nitrogênio de 78% (N2), 21% de oxigênio (O2) e um por cento de argônio (Ar).
Para levar em conta o efeito que essas moléculas têm na pressão do ar, você pode calcular a massa de ar como a soma de dois átomos de nitrogênio de 14 unidades atômicas cada, dois átomos de oxigênio de 16 unidades atômicas cada e um átomo de argônio de 18 unidades atômicas unidades.
Se o ar não estiver completamente seco, você também pode adicionar algumas moléculas de água (H2O), que são duas unidades atômicas para os dois átomos de hidrogênio e 16 unidades atômicas para o átomo de oxigênio singular. Se você calcular quanta massa de ar você tem, pode assumir que esses constituintes químicos são distribuídos uniformemente e, em seguida, calcule a porcentagem desses componentes químicos em ar.
Você também pode usar o peso específico, a proporção entre o peso e o volume no cálculo da densidade. O peso específicoγ("gama") é dado pela equação
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
que adiciona uma variável adicionalgcomo a constante de aceleração gravitacional 9,8 m / s2. Neste caso, o produto da massa pela aceleração gravitacional é o peso do gás, e dividindo este valor pelo volumeVpode dizer o peso específico do gás.
Calculadora de densidade do ar
Uma calculadora online de densidade do ar, como a de Caixa de ferramentas de engenharia permitem calcular valores teóricos para a densidade do ar em determinadas temperaturas e pressões. O site também fornece uma tabela de valores de densidade do ar em diferentes temperaturas e pressões. Esses gráficos mostram como a densidade e o peso específico diminuem em valores mais altos de temperatura e pressão.
Você pode fazer isso por causa da lei de Avogadro, que afirma que "volumes iguais de todos os gases, na mesma temperatura e pressão, têm o mesmo número de moléculas". Por esta razão, os cientistas e engenheiros usam essa relação para determinar a temperatura, pressão ou densidade quando conhecem outras informações sobre um volume de gás que são estudando.
A curvatura desses gráficos significa que há uma relação logarítmica entre essas quantidades. Você pode mostrar que isso corresponde à teoria reorganizando a lei dos gases ideais:
PV = mRT
para pressãoPvolumeV, massa do gásm, constante de gásR(0,167226 J / kg K) e temperaturaTpara obterρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
no qualρé a densidade em unidades dem / Vmassa / volume (kg / m3). Tenha em mente que esta versão da lei do gás ideal usa oRconstante do gás em unidades de massa, não em moles.
A variação da lei dos gases ideais mostra que, conforme a temperatura aumenta, a densidade aumenta logaritmicamente porque1 / Té proporcional aρ.Esta relação inversa descreve a curvatura dos gráficos de densidade do ar e tabelas de densidade do ar.
Densidade do ar vs. Altitude
O ar seco pode se enquadrar em uma de duas definições. Pode ser ar sem nenhum traço de água ou pode ser ar com baixa umidade relativa, que pode ser alterado em altitudes mais elevadas. Tabelas de densidade do ar, como a do Omnicalculator mostrar como a densidade do ar muda em relação à altitude. Omnicalculator também tem uma calculadora para determinar a pressão do ar em uma determinada altitude.
À medida que a altitude aumenta, a pressão do ar diminui principalmente devido à atração gravitacional entre o ar e a terra. Isso ocorre porque a atração gravitacional entre a terra e as moléculas de ar diminui, diminuindo a pressão das forças entre as moléculas quando você vai para altitudes mais elevadas.
Também acontece porque as moléculas têm menos peso elas mesmas porque têm menos peso devido à gravidade em altitudes mais elevadas. Isso explica por que alguns alimentos demoram mais para cozinhar quando estão em altitudes mais elevadas, pois precisam de mais calor ou de uma temperatura mais alta para excitar as moléculas de gás dentro deles.
Altímetros de aeronaves, instrumentos que medem a altitude, tiram vantagem disso medindo a pressão e usando isso para estimar a altitude, geralmente em termos do nível médio do mar (MSL). Os sistemas de posição global (GPS) fornecem uma resposta mais precisa medindo a distância real acima do nível do mar.
Unidades de Densidade
Cientistas e engenheiros usam principalmente as unidades SI para densidade de kg / m3. Outros usos podem ser mais aplicáveis com base no caso e na finalidade. Densidades menores, como as de oligoelementos em objetos sólidos como aço, geralmente podem ser expressas mais facilmente usando unidades de g / cm3. Outras unidades possíveis de densidade incluem kg / L eg / mL.
Lembre-se de que, ao converter entre unidades diferentes para densidade, você precisa considerar as três dimensões de volume como um fator exponencial se precisar alterar as unidades de volume.
Por exemplo, se você quiser converter 5 kg / cm3 para kg / m3, você multiplicaria 5 por 1003, não apenas 100, para obter o resultado de 5 x 106 kg / m3.
Outras conversões úteis incluem 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 e 1 g / mL = 1000 kg / m3. Essas relações mostram a versatilidade das unidades de densidade para a situação desejada.
Nos padrões habituais de unidades dos Estados Unidos, você pode estar mais acostumado a usar unidades como pés ou libras em vez de metros ou quilogramas, respectivamente. Nesses cenários, você pode se lembrar de algumas conversões úteis, como 1 onça / pol.3 = 108 lb / pés3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / pés3 e 1 lb / yd3 ≈ 0,037 lb / pés3. Nesses casos, ≈ se refere a uma aproximação porque esses números de conversão não são exatos.
Essas unidades de densidade podem dar uma ideia melhor de como medir a densidade de conceitos mais abstratos ou matizados, como a densidade de energia dos materiais usados em reações químicas. Esta poderia ser a densidade de energia dos combustíveis que os carros usam na ignição ou a quantidade de energia nuclear que pode ser armazenada em elementos como o urânio.
Comparar a densidade do ar com a densidade das linhas de campo elétrico em torno de um objeto eletricamente carregado, por exemplo, pode dar uma ideia melhor de como integrar quantidades em diferentes volumes.