Хотя это может показаться ничем, воздух вокруг вас имеет плотность. Плотность воздуха можно измерить и изучить по физическим и химическим характеристикам, таким как его вес, масса или объем. Ученые и инженеры используют эти знания при создании оборудования и продуктов, в которых используются преимущества давление воздуха при накачивании шин, отправка материалов через всасывающие насосы и создание герметичности уплотнения.
Формула плотности воздуха
Самая простая и понятная формула плотности воздуха - это просто деление массы воздуха на его объем. Это стандартное определение плотности как
\ rho = \ frac {m} {V}
для плотностиρ(«ро») обычно в кг / м3, массамв кг и объемеVв м3. Например, если у вас было 100 кг воздуха, который занимал 1 м3, плотность будет 100 кг / м3.
Чтобы получить более точное представление о плотности воздуха, вам необходимо учитывать, как воздух состоит из разных газов, при определении его плотности. При постоянной температуре, давлении и объеме сухой воздух обычно на 78% состоит из азота (N2), 21% кислорода (O2) и один процент аргона (Ar).
Чтобы учесть влияние этих молекул на давление воздуха, вы можете рассчитать массу воздуха как сумму два атома азота по 14 атомных единиц каждый, два атома кислорода по 16 атомных единиц каждый и один атом аргона из 18 атомных единиц. единицы измерения.
Если воздух не полностью высох, вы также можете добавить несколько молекул воды (ЧАС2O), которые представляют собой две атомные единицы для двух атомов водорода и 16 атомных единиц для единственного атома кислорода. Если вы подсчитаете, сколько у вас массы воздуха, вы можете предположить, что эти химические составляющие равномерно распределить по нему, а затем рассчитать процент этих химических компонентов в сухом воздуха.
Вы также можете использовать удельный вес, отношение веса к объему при расчете плотности. Удельный весγ(«гамма») определяется уравнением
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
который добавляет дополнительную переменнуюграммкак константа ускорения свободного падения 9,8 м / с2. В этом случае произведение массы и ускорения свободного падения - это вес газа, и если разделить это значение на объемVможет сказать вам удельный вес газа.
Калькулятор плотности воздуха
Онлайн-калькулятор плотности воздуха, например, Инженерный набор инструментов позволяет рассчитать теоретические значения плотности воздуха при заданных температурах и давлениях. На веб-сайте также есть таблица значений плотности воздуха при различных температурах и давлениях. Эти графики показывают, как плотность и удельный вес уменьшаются при более высоких значениях температуры и давления.
Вы можете сделать это благодаря закону Авогадро, который гласит, что «равные объемы всех газов при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул». За это По этой причине ученые и инженеры используют это соотношение для определения температуры, давления или плотности, когда им известна другая информация об объеме газа, в котором они находятся. изучение.
Кривизна этих графиков означает, что между этими величинами существует логарифмическая связь. Вы можете показать, что это соответствует теории, изменив закон идеального газа:
PV = mRT
для давленияп, объемV, масса газам, газовая постояннаяр(0,167226 Дж / кг К) и температурыТполучитьρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
в которомρплотность в единицахм / Вмасса / объем (кг / м3). Имейте в виду, что в этой версии закона идеального газа используетсяргазовая постоянная в единицах массы, а не в молях.
Вариация закона идеального газа показывает, что с увеличением температуры плотность увеличивается логарифмически, поскольку1 / тпропорциональноρ.Эта обратная зависимость описывает кривизну графиков плотности воздуха и таблиц плотности воздуха.
Плотность воздуха vs. Высота
Сухой воздух может подпадать под одно из двух определений. Это может быть воздух без каких-либо следов воды или это может быть воздух с низкой относительной влажностью, которую можно изменять на больших высотах. Таблицы плотности воздуха, такие как Омникалкулятор показать, как плотность воздуха изменяется с высотой. Омникалкулятор также есть калькулятор для определения давления воздуха на заданной высоте.
По мере увеличения высоты давление воздуха уменьшается в первую очередь из-за гравитационного притяжения между воздухом и землей. Это потому, что гравитационное притяжение между Землей и молекулами воздуха уменьшается, уменьшая давление сил между молекулами, когда вы поднимаетесь на большую высоту.
Это также происходит потому, что сами молекулы имеют меньший вес из-за меньшего веса из-за силы тяжести на больших высотах. Это объясняет, почему некоторые продукты готовятся дольше, когда они находятся на больших высотах, поскольку им требуется больше тепла или более высокая температура, чтобы возбуждать молекулы газа внутри них.
Авиационные высотомеры, приборы, которые измеряют высоту, используют это преимущество, измеряя давление и используя его для оценки высоты, обычно в терминах среднего уровня моря (MSL). Системы глобального позиционирования (GPS) дают более точный ответ, измеряя фактическое расстояние над уровнем моря.
Единицы плотности
Ученые и инженеры в основном используют единицы СИ для плотности кг / м3.3. Другие варианты использования могут быть более применимы в зависимости от случая и цели. Меньшие плотности, такие как плотности микроэлементов в твердых объектах, таких как сталь, обычно легче выразить в единицах г / см.3. Другие возможные единицы плотности включают кг / л и г / мл.
Имейте в виду, что при преобразовании между разными единицами измерения плотности вам необходимо учитывать три измерения объема как экспоненциальный коэффициент, если вам нужно изменить единицы измерения объема.
Например, если вы хотите преобразовать 5 кг / см3 до кг / м3, вы бы умножили 5 на 1003, а не просто 100, чтобы получить результат 5 x 106 кг / м3.
Другие удобные преобразования включают 1 г / см3 = 0,001 кг / м3, 1 кг / л = 1000 кг / м3 и 1 г / мл = 1000 кг / м3. Эти отношения показывают универсальность единиц плотности для желаемой ситуации.
В общепринятых стандартах единиц измерения Соединенных Штатов вы, возможно, более привыкли использовать такие единицы, как футы или фунты, вместо метров или килограммов, соответственно. В этих сценариях вы можете запомнить некоторые полезные преобразования, такие как 1 унция / дюйм3 = 108 фунтов / фут3, 1 фунт / галлон ≈ 7,48 фунт / фут3 и 1 фунт / ярд3 ≈ 0,037 фунт / фут3. В этих случаях ≈ относится к приближению, потому что эти числа для преобразования неточны.
Эти единицы плотности могут дать вам лучшее представление о том, как измерить плотность более абстрактных или тонких понятий, таких как плотность энергии материалов, используемых в химических реакциях. Это может быть плотность энергии топлива, используемого автомобилями для зажигания, или количество ядерной энергии, которое может храниться в таких элементах, как уран.
Например, сравнение плотности воздуха с плотностью силовых линий электрического поля вокруг электрически заряженного объекта может дать вам лучшее представление о том, как интегрировать величины по разным объемам.