Cum se calculează densitatea aerului

Deși nu poate părea nimic, aerul din jurul tău are o densitate. Densitatea aerului poate fi măsurată și studiată pentru caracteristici ale fizicii și chimiei, cum ar fi greutatea, masa sau volumul său. Oamenii de știință și inginerii folosesc aceste cunoștințe pentru a crea echipamente și produse de care beneficiază presiunea aerului la umflarea anvelopelor, trimiterea materialelor prin pompele de aspirație și crearea etanșului la vid sigilii.

Cea mai simplă și simplă formulă a densității aerului este pur și simplu împărțirea masei de aer la volumul său. Aceasta este definiția standard a densității ca

pentru densitateρ(„rho”) în general în kg / m³, masamîn kg și volumVin m³. De exemplu, dacă ați avut 100 kg de aer care au ocupat un volum de 1 m³, densitatea ar fi de 100 kg / m³.

Pentru a vă face o idee mai bună despre densitatea aerului în mod specific, trebuie să țineți cont de modul în care aerul este format din diferite gaze atunci când formulați densitatea acestuia. La o temperatură, presiune și volum constante, aerul uscat este format din 78% azot (

Pentru a lua în considerare efectul pe care aceste molecule îl au asupra presiunii aerului, puteți calcula masa aerului ca suma a doi atomi de azot de 14 unități atomice fiecare, doi atomi de oxigen de 16 unități atomice fiecare și atomul unic de argon de 18 atomice unități.

Dacă aerul nu este complet uscat, puteți adăuga și câteva molecule de apă (H₂O) care sunt două unități atomice pentru cei doi atomi de hidrogen și 16 unități atomice pentru atomul de oxigen singular. Dacă calculați câtă masă de aer aveți, puteți presupune că acești constituenți chimici sunt distribuite în întregul său uniform și apoi calculați procentul acestor componente chimice în stare uscată aer.

De asemenea, puteți utiliza greutatea specifică, raportul dintre greutate și volum în calcularea densității. Greutatea specificăγ(„gamma”) este dat de ecuație

care adaugă o variabilă suplimentarăgca constantă a accelerației gravitaționale 9,8 m / s². În acest caz, produsul masei și al accelerației gravitaționale este greutatea gazului și împărțind această valoare la volumVvă poate spune greutatea specifică a gazului.

Un calculator online pentru densitatea aerului, cum ar fi cel de Inginerie Toolbox vă permit să calculați valorile teoretice pentru densitatea aerului la temperaturi și presiuni date. Site-ul web oferă, de asemenea, un tabel cu valori ale densității aerului la diferite temperaturi și presiuni. Aceste grafice arată cum scad densitatea și greutatea specifică la valori mai mari de temperatură și presiune.

Puteți face acest lucru datorită legii lui Avogadro, care afirmă că „volume egale din toate gazele, la aceeași temperatură și presiune, au același număr de molecule”. Pentru aceasta motiv, oamenii de știință și inginerii folosesc această relație pentru a determina temperatura, presiunea sau densitatea atunci când știu alte informații despre un volum de gaz care sunt studiu.

Curbura acestor grafice înseamnă că există o relație logaritmică între aceste mărimi. Puteți arăta că acest lucru se potrivește cu teoria, aranjând legea ideală a gazelor:

pentru presiuneP, volumV, masa gazuluim, constantă de gazR(0,1667226 J / kg K) și temperaturăTa obțineρ​

in careρeste densitatea în unități dem / Vmasă / volum (kg / m³). Rețineți că această versiune a legii gazelor ideale foloseșteRconstantă de gaz în unități de masă, nu moli.

Variația legii gazelor ideale arată că, pe măsură ce temperatura crește, densitatea crește logaritmic deoarece1 / Teste proporțional cuρ.Această relație inversă descrie curbura graficelor densității aerului și a tabelelor densității aerului.

Aerul uscat poate intra sub una dintre cele două definiții. Poate fi aer fără urme de apă sau poate fi aer cu umiditate relativă scăzută, care poate fi schimbat la altitudini mai mari. Tabelele de densitate a aerului, cum ar fi cea de pe Omnicalculator arată cum se modifică densitatea aerului în raport cu altitudinea. Omnicalculator are, de asemenea, un calculator pentru a determina presiunea aerului la o altitudine dată.

Pe măsură ce altitudinea crește, presiunea aerului scade în principal datorită atracției gravitaționale dintre aer și pământ. Acest lucru se datorează faptului că atracția gravitațională dintre pământ și moleculele de aer scade, diminuând presiunea forțelor dintre molecule atunci când mergi la altitudini mai mari.

De asemenea, se întâmplă deoarece moleculele au ele însele o greutate mai mică, deoarece greutatea mai mică datorită gravitației la altitudini mai mari. Acest lucru explică de ce unele alimente durează mai mult timp pentru a găti atunci când se află la altitudini mai mari, deoarece vor avea nevoie de mai multă căldură sau o temperatură mai mare pentru a excita moleculele de gaz din ele.

Altimetrele aeronavelor, instrumente care măsoară altitudinea, profită de acest lucru măsurând presiunea și folosind aceasta pentru a estima altitudinea, de obicei în ceea ce privește nivelul mediu al mării (MSL). Sistemele de poziții globale (GPS) vă oferă un răspuns mai precis prin măsurarea distanței reale deasupra nivelului mării.

Oamenii de știință și inginerii folosesc în principal unitățile SI pentru densitatea kg / m³. Alte utilizări pot fi mai aplicabile în funcție de caz și scop. Densități mai mici, cum ar fi cele ale oligoelementelor din obiecte solide, cum ar fi oțelul, pot fi exprimate în general mai ușor folosind unități de g / cm³. Alte unități posibile de densitate includ kg / L și g / ml.

Rețineți că, atunci când faceți conversia între diferite unități pentru densitate, trebuie să țineți cont de cele trei dimensiuni ale volumului ca factor exponențial dacă trebuie să schimbați unitățile pentru volum.

De exemplu, dacă doriți să convertiți 5 kg / cm³ până la kg / m³, ați înmulți 5 cu 100³, nu doar 100, pentru a obține rezultatul de 5 x 10⁶ kg / m³.

Alte conversii la îndemână includ 1 g / cm³ = 0,001 kg / m³, 1 kg / L = 1000 kg / m³ și 1 g / mL = 1000 kg / m³. Aceste relații arată versatilitatea unităților de densitate pentru situația dorită.

În standardele obișnuite ale unităților din Statele Unite, este posibil să fiți mai obișnuiți să utilizați unități precum picioare sau kilograme în loc de metri sau, respectiv, kilograme. În aceste scenarii, vă puteți aminti câteva conversii utile, cum ar fi 1 oz / in³ = 108 lb / ft³, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft³ și 1 lb / an³ ≈ 0,037 lb / ft³. În aceste cazuri, ≈ se referă la o aproximare deoarece aceste numere pentru conversie nu sunt exacte.

Aceste unități de densitate vă pot oferi o idee mai bună despre cum să măsurați densitatea unor concepte mai abstracte sau nuanțate, cum ar fi densitatea energetică a materialelor utilizate în reacțiile chimice. Aceasta ar putea fi densitatea energetică a combustibililor folosiți de autovehicule la aprindere sau cantitatea de energie nucleară care poate fi stocată în elemente precum uraniul.

Compararea densității aerului cu densitatea liniilor de câmp electric în jurul unui obiect încărcat electric, de exemplu, vă poate oferi o idee mai bună despre cum să integrați cantități pe volume diferite.