Aj keď sa to môže zdať ako nič, vzduch okolo vás má hustotu. Hustotu vzduchu je možné merať a študovať z hľadiska fyzikálnych a chemických vlastností, ako je jeho hmotnosť, hmotnosť alebo objem. Vedci a inžinieri využívajú tieto vedomosti pri vytváraní zariadení a produktov, ktoré využívajú tlak vzduchu pri hustení pneumatík, posielanie materiálov cez sacie čerpadlá a vytváranie vákua pečate.
Vzorec hustoty vzduchu
Najzákladnejším a najpriamejším vzorcom hustoty vzduchu je jednoduché delenie hmotnosti vzduchu jeho objemom. Toto je štandardná definícia hustoty ako
\ rho = \ frac {m} {V}
pre hustotuρ(„rho“) všeobecne v kg / m3, omšamv kg a objemeV.v m3. Napríklad, ak ste mali 100 kg vzduchu, ktorý zabral objem 1 m3, hustota by bola 100 kg / m3.
Ak chcete získať lepšiu predstavu o hustote vzduchu, musíte pri formulovaní jeho hustoty brať do úvahy to, ako je vzduch vyrobený z rôznych plynov. Pri konštantnej teplote, tlaku a objeme je suchý vzduch zvyčajne tvorený 78% dusíka (N2), 21% kyslíka (O2) a jedno percento argónu (Ar).
Ak chcete vziať do úvahy vplyv týchto molekúl na tlak vzduchu, môžete vypočítať hmotnosť vzduchu ako súčet dva atómy dusíka po 14 atómových jednotkách, dva atómy kyslíka po 16 atómových jednotkách a jediný atóm argónu s 18 atómovými jednotkami Jednotky.
Ak vzduch nie je úplne suchý, môžete pridať aj niektoré molekuly vody (H2O), čo sú dve atómové jednotky pre dva atómy vodíka a 16 atómových jednotiek pre singulárny atóm kyslíka. Ak spočítate, koľko máte vzduchu, môžete predpokladať, že tieto chemické zložky sú rovnomerne rozložené v ňom a potom vypočítať percento týchto chemických zložiek v suchom stave vzduch.
Pri výpočte hustoty môžete tiež použiť konkrétnu hmotnosť, pomer hmotnosti k objemu. Špecifická hmotnosťγ(„gama“) je dané rovnicou
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
ktorá pridáva ďalšiu premennúgako konštanta gravitačného zrýchlenia 9,8 m / s2. V tomto prípade je produktom hmotnosti a gravitačného zrýchlenia hmotnosť plynu a táto hodnota sa vydelí objemomV.vám môže povedať špecifickú hmotnosť plynu.
Kalkulačka hustoty vzduchu
Online kalkulačka hustoty vzduchu, napríklad kalkulačka Engineering Toolbox vám umožní vypočítať teoretické hodnoty hustoty vzduchu pri daných teplotách a tlakoch. Webová stránka tiež poskytuje tabuľku hodnôt hustoty vzduchu pri rôznych teplotách a tlakoch. Tieto grafy ukazujú, ako klesá hustota a špecifická hmotnosť pri vyšších hodnotách teploty a tlaku.
Môžete to urobiť kvôli Avogadrovmu zákonu, ktorý hovorí: „rovnaké objemy všetkých plynov, pri rovnakej teplote a tlaku majú rovnaký počet molekúl.“ Pre to z tohto dôvodu vedci a inžinieri používajú tento vzťah pri určovaní teploty, tlaku alebo hustoty, keď poznajú ďalšie informácie o objeme plynu, ktorým sú študovať.
Zakrivenie týchto grafov znamená, že medzi týmito veličinami existuje logaritmický vzťah. To, že sa to zhoduje s teóriou, môžete preukázať opätovným usporiadaním zákona o ideálnom plyne:
PV = mRT
pre tlakP, objemV., hmotnosť plynum, plynová konštantaR(0,167226 J / kg K) a teplotaTzískaťρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
v ktoromρje hustota v jednotkáchm / Vhmotnosť / objem (kg / m3). Majte na pamäti, že táto verzia zákona o ideálnom plyne používaRplynová konštanta v jednotkách hmotnosti, nie v moloch.
Zmeny zákona o ideálnom plyne ukazujú, že pri zvyšovaní teploty sa logaritmicky zvyšuje hustota1 / T.je úmernýρ.Tento inverzný vzťah popisuje zakrivenie grafov hustoty vzduchu a tabuliek hustoty vzduchu.
Hustota vzduchu vs. Nadmorská výška
Suchý vzduch môže spadať pod jednu z dvoch definícií. Môže to byť vzduch bez stopy vody alebo vzduch s nízkou relatívnou vlhkosťou, ktorú je možné meniť vo vyšších nadmorských výškach. Tabuľky hustoty vzduchu, ako je napríklad táto Omnicalculator ukážte, ako sa mení hustota vzduchu s ohľadom na nadmorskú výšku. Omnicalculator má tiež kalkulačku na stanovenie tlaku vzduchu v danej nadmorskej výške.
S pribúdajúcou nadmorskou výškou klesá tlak vzduchu predovšetkým z dôvodu gravitačnej príťažlivosti medzi vzduchom a zemou. Je to preto, že gravitačná príťažlivosť medzi zemou a molekulami vzduchu klesá, čo znižuje tlak síl medzi molekulami, keď idete do vyšších nadmorských výšok.
Stáva sa to tiež preto, lebo samotné molekuly majú menšiu hmotnosť, pretože menšiu hmotnosť majú vďaka gravitácii vo vyšších nadmorských výškach. To vysvetľuje, prečo sa niektorým potravinám varí dlhšie, keď sú vo vyšších nadmorských výškach, pretože na excitáciu molekúl plynu v nich budú potrebovať viac tepla alebo vyššiu teplotu.
Výškomery lietadiel, prístroje na meranie nadmorskej výšky, to využívajú meraním tlaku a jeho pomocou na odhadovanie nadmorskej výšky, zvyčajne z hľadiska strednej hladiny mora (MSL). Globálne pozičné systémy (GPS) vám poskytujú presnejšiu odpoveď meraním skutočnej vzdialenosti nad hladinou mora.
Jednotky hustoty
Vedci a inžinieri väčšinou používajú jednotky SI na hustotu kg / m3. Na základe prípadu a účelu môže byť vhodnejšie iné použitie. Menšie hustoty, ako sú napríklad stopové prvky v pevných predmetoch, ako je oceľ, sa dajú všeobecne ľahšie vyjadriť pomocou jednotiek g / cm3. Medzi ďalšie možné jednotky hustoty patria kg / l a g / ml.
Majte na pamäti, že pri konverzii medzi rôznymi jednotkami hustoty musíte brať do úvahy tri dimenzie objemu ako exponenciálny faktor, ak potrebujete zmeniť jednotky objemu.
Napríklad, ak ste chceli prevádzať 5 kg / cm3 do kg / m3, vynásobíte 5 a 1003, nielen 100, aby ste dostali výsledok 5 x 106 kg / m3.
Medzi ďalšie užitočné konverzie patrí 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / l = 1000 kg / m3 a 1 g / ml = 1 000 kg / m3. Tieto vzťahy ukazujú všestrannosť jednotiek hustoty pre požadovanú situáciu.
V obvyklých štandardoch jednotiek v USA môžete byť zvyknutí na používanie jednotiek ako stopy alebo libry namiesto metrov alebo kilogramov. V týchto scenároch si môžete spomenúť na niektoré užitočné prevody, ako napríklad 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 a 1 lb / yd3 ≈ 0,037 lb / ft3. V týchto prípadoch sa ≈ vzťahuje na aproximáciu, pretože tieto čísla na prepočet nie sú presné.
Tieto jednotky hustoty vám môžu poskytnúť lepšiu predstavu o tom, ako merať hustotu abstraktnejších alebo jemnejších konceptov, ako je hustota energie materiálov používaných pri chemických reakciách. Môže to byť energetická hustota palív používaných automobilmi pri zapaľovaní alebo to, koľko jadrovej energie je možné uložiť v prvkoch, ako je urán.
Napríklad porovnanie hustoty vzduchu s hustotou siločiar elektrického poľa okolo elektricky nabitého objektu vám môže poskytnúť lepšiu predstavu o tom, ako integrovať veličiny do rôznych objemov.