Čeprav se morda zdi nič, ima zrak okoli vas gostoto. Gostoto zraka lahko merimo in preučujemo glede na značilnosti fizike in kemije, kot so njegova teža, masa ali prostornina. Znanstveniki in inženirji to znanje uporabljajo pri ustvarjanju opreme in izdelkov, ki jih izkoriščajo zračni tlak pri napihovanju pnevmatik, pošiljanju materiala skozi sesalne črpalke in ustvarjanju neprepustnosti tesnila.
Formula gostote zraka
Najosnovnejša in najpreprostejša formula gostote zraka je preprosto deljenje mase zraka s prostornino. To je standardna definicija gostote kot
\ rho = \ frac {m} {V}
za gostotoρ("rho") na splošno v kg / m3, masamv kg in prostorniniVv m3. Na primer, če ste imeli 100 kg zraka, ki je zavzel prostornino 1 m3, bi bila gostota 100 kg / m3.
Če želite bolje razumeti gostoto zraka, morate pri oblikovanju njegove gostote upoštevati, kako je zrak izdelan iz različnih plinov. Pri konstantni temperaturi, tlaku in prostornini je suh zrak običajno sestavljen iz 78% dušika (N2), 21% kisika (O2) in en odstotek argona (Ar).
Če želite upoštevati učinek teh molekul na zračni tlak, lahko maso zraka izračunate kot vsoto dva atoma dušika s po 14 atomskimi enotami, dva atoma kisika s po 16 atomskimi enotami in en atom argona z 18 atomskimi enotami enote.
Če zrak ni popolnoma suh, lahko dodate tudi nekaj molekul vode (H2O), ki sta dve atomski enoti za dva atoma vodika in 16 atomskih enot za posamezni atom kisika. Če izračunate, koliko mase zraka imate, lahko domnevate, da so te kemične sestavine po njej enakomerno porazdelijo in nato izračunajo odstotek teh kemičnih komponent v suhem zrak.
Pri izračunu gostote lahko uporabite tudi specifično težo, razmerje med težo in prostornino. Specifična težaγ("gama") poda enačba
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
ki doda dodatno spremenljivkogkot konstanta gravitacijskega pospeška 9,8 m / s2. V tem primeru je zmnožek mase in gravitacijskega pospeška teža plina in to vrednost delimo s prostorninoVlahko povem specifično težo plina.
Kalkulator gostote zraka
Spletni kalkulator gostote zraka, kakršen je en Inženirska orodjarna vam omogočajo izračun teoretičnih vrednosti gostote zraka pri danih temperaturah in tlakih. Spletno mesto vsebuje tudi tabelo gostote zraka pri vrednostih pri različnih temperaturah in tlakih. Ti grafi prikazujejo, kako se gostota in specifična teža zmanjšujeta pri višjih vrednostih temperature in tlaka.
To lahko storite zaradi Avogadrovega zakona, ki pravi, da "imajo enake količine vseh plinov ob isti temperaturi in tlaku enako število molekul." Za to Zato znanstveniki in inženirji to razmerje uporabljajo pri določanju temperature, tlaka ali gostote, ko poznajo druge podatke o količini plina, ki ga imajo študij.
Ukrivljenost teh grafov pomeni, da obstaja logaritemsko razmerje med temi veličinami. Lahko pokažete, da se to ujema s teorijo, tako da preuredite zakon o idealnem plinu:
PV = mRT
za pritiskP, glasnostV, masa plinam, plinska konstantaR(0,167226 J / kg K) in temperaturaTdobitiρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
v kateriρje gostota v enotahm / Vmasa / prostornina (kg / m3). Upoštevajte, da ta različica zakona o idealnem plinu uporabljaRplinska konstanta v masnih enotah, ne v molih.
Sprememba zakona o idealnem plinu kaže, da se s povečanjem temperature gostota logaritmično povečuje, ker1 / Tje sorazmeren zρ.Ta inverzna povezava opisuje ukrivljenost grafov gostote zraka in tabel gostote zraka.
Gostota zraka vs. Nadmorska višina
Suh zrak lahko spada v eno od dveh opredelitev. Lahko je zrak brez sledi vode v njem ali pa zrak z nizko relativno vlago, ki ga lahko spreminjamo na višjih nadmorskih višinah. Tabele gostote zraka, kot je tista na Omnikulator pokažite, kako se spreminja gostota zraka glede na nadmorsko višino. Omnikulator ima tudi kalkulator za določanje zračnega tlaka na določeni nadmorski višini.
Ko višina narašča, zračni tlak pada predvsem zaradi gravitacijske privlačnosti med zrakom in zemljo. To pa zato, ker se gravitacijsko privlačnost med zemljo in molekulami zraka zmanjša, kar zmanjša pritisk sil med molekulami, ko greste na višje nadmorske višine.
Zgodi se tudi zato, ker imajo molekule same manj teže, ker imajo manjšo težo zaradi gravitacije na večjih nadmorskih višinah. To pojasnjuje, zakaj se nekatera živila kuhajo dlje, če so na višjih nadmorskih višinah, saj potrebujejo več toplote ali višjo temperaturo, da vzbudijo molekule plina v sebi.
Višinomeri na letalih, instrumenti za merjenje nadmorske višine, to izkoristijo tako, da izmerijo tlak in ga uporabijo za oceno nadmorske višine, običajno glede na srednjo gladino morja (MSL). Sistemi globalnih položajev (GPS) vam dajo natančnejši odgovor z merjenjem dejanske razdalje nad morsko gladino.
Enote gostote
Znanstveniki in inženirji večinoma uporabljajo enote SI za gostoto kg / m3. Druge uporabe so morda bolj uporabne glede na primer in namen. Manjše gostote, kot je gostota elementov v sledovih v trdnih predmetih, kot je jeklo, lahko na splošno lažje izrazimo z enotami g / cm3. Druge možne enote gostote vključujejo kg / L in g / ml.
Upoštevajte, da morate pri pretvorbi med različnimi enotami za gostoto upoštevati tri dimenzije prostornine kot eksponentni faktor, če želite spremeniti enote za prostornino.
Na primer, če ste želeli pretvoriti 5 kg / cm3 do kg / m3, bi pomnožili 5 s 1003, ne samo 100, da dobimo rezultat 5 x 106 kg / m3.
Druge priročne pretvorbe vključujejo 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 in 1 g / ml = 1000 kg / m3. Ti odnosi kažejo vsestranskost enot gostote za želeno situacijo.
V običajnih standardih enot za enote v ZDA ste morda bolj navajeni uporabljati enote, kot so čevlji ali kilogrami, namesto metrov oziroma kilogramov. V teh scenarijih si lahko zapomnite nekaj uporabnih pretvorb, na primer 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 in 1 lb / cm3 ≈ 0,037 lb / ft3. V teh primerih se ≈ nanaša na približek, ker te številke za pretvorbo niso natančne.
Te enote gostote vam lahko dajo boljšo predstavo o tem, kako izmeriti gostoto bolj abstraktnih ali niansiranih konceptov, kot je gostota energije materialov, ki se uporabljajo v kemijskih reakcijah. To je lahko energijska gostota goriv, ki jih avtomobili uporabljajo pri vžigu, ali koliko jedrske energije lahko shranimo v elementih, kot je uran.
Primerjava gostote zraka z gostoto vodov električnega polja okoli električno nabitih predmetov vam lahko na primer daje boljšo predstavo o integraciji količin v različne količine.