Även om det kan verka som ingenting, har luften runt dig en densitet. Luftens densitet kan mätas och studeras för egenskaper inom fysik och kemi såsom dess vikt, massa eller volym. Forskare och ingenjörer använder denna kunskap för att skapa utrustning och produkter som utnyttjar lufttryck när du pumpar upp däck, skickar material genom sugpumpar och skapar vakuumtät tätningar.
Formel för lufttäthet
Den mest grundläggande och okomplicerade lufttäthetsformeln är att helt enkelt dela luftmassan med dess volym. Detta är standarddefinitionen av densitet som
\ rho = \ frac {m} {V}
för densitetρ("rho") i allmänhet i kg / m3, massami kg och volymVi m3. Till exempel om du hade 100 kg luft som tog upp en volym på 1 m3skulle densiteten vara 100 kg / m3.
För att få en bättre uppfattning om tätheten av luft specifikt måste du redogöra för hur luft är gjord av olika gaser när du formulerar densiteten. Vid konstant temperatur, tryck och volym är torr luft typiskt gjord av 78% kväve (N2), 21% syre (O2) och en procent argon (Ar).
För att ta hänsyn till effekten som dessa molekyler har på lufttrycket kan du beräkna luftmassan som summan av kväve två atomer med 14 atomenheter vardera, syre två atomer med 16 atomenheter vardera och argons enda atom på 18 atomer enheter.
Om luften inte är helt torr kan du också lägga till några vattenmolekyler (H2O) som är två atomenheter för de två väteatomerna och 16 atomenheter för den enskilda syreatomen. Om du beräknar hur mycket luftmassa du har kan du anta att dessa kemiska beståndsdelar är fördelas jämnt över den och beräkna sedan procenten av dessa kemiska komponenter i torr luft.
Du kan också använda den specifika vikten, förhållandet mellan vikt och volym vid beräkning av densitet. Den specifika viktenγ("gamma") ges av ekvationen
\ gamma = \ frac {mg} {V} = \ rho g
som lägger till en ytterligare variabelgsom konstanten av gravitationsacceleration 9,8 m / s2. I det här fallet är produkten av massa och tyngdacceleration gasens vikt och dividerar detta värde med volymenVkan berätta gasens specifika vikt.
Air Density Calculator
En online-lufttäthetsräknare som den Verktygslåda för teknik låter dig beräkna teoretiska värden för lufttäthet vid givna temperaturer och tryck. Webbplatsen innehåller också en lufttäthetstabell över värden vid olika temperaturer och tryck. Dessa diagram visar hur densitet och specifik vikt minskar vid högre temperatur- och tryckvärden.
Du kan göra detta på grund av Avogadros lag, som säger, "lika stora volymer av alla gaser, vid samma temperatur och tryck, har samma antal molekyler." För detta anledning använder forskare och ingenjörer detta förhållande för att bestämma temperatur, tryck eller densitet när de känner till annan information om en gasvolym som de är studerar.
Krökningen av dessa grafer betyder att det finns ett logaritmiskt samband mellan dessa kvantiteter. Du kan visa att detta matchar teorin genom att omorganisera den ideala gaslagen:
PV = mRT
för tryckP, volymV, gasens massam, gaskonstantR(0,1667226 J / kg K) och temperaturTatt fåρ
\ rho = \ frac {P} {RT}
i vilkenρär densitet i enheter avm / V.massa / volym (kg / m3). Tänk på att den här versionen av den ideala gaslagen använderRgaskonstant i massaenheter, inte mol.
Variationen av den ideala gaslagen visar att, när temperaturen ökar, ökar densiteten logaritmiskt eftersom1 / T.är proportionell motρ.Detta omvända förhållande beskriver krökningen av lufttäthetsdiagrammen och lufttäthetstabellerna.
Luftdensitet vs. Höjd över havet
Torr luft kan falla under en av två definitioner. Det kan vara luft utan spår av vatten i den eller det kan vara luft med låg relativ relativ luftfuktighet, som kan ändras på högre höjder. Luftdensitetstabeller som den på Omnicalculator visa hur lufttätheten förändras i förhållande till höjden. Omnicalculator har också en räknare för att bestämma lufttrycket vid en viss höjd.
När höjden ökar minskar lufttrycket främst på grund av gravitationsattraktionen mellan luft och jorden. Detta beror på att gravitationsattraktionen mellan jorden och luftmolekylerna minskar, vilket minskar krafttrycket mellan molekylerna när du går till högre höjder.
Det händer också för att molekylerna själva har mindre vikt eftersom mindre vikt på grund av tyngdkraften vid högre höjder. Detta förklarar varför vissa livsmedel tar längre tid att laga mat på högre höjder, eftersom de behöver mer värme eller högre temperatur för att excitera gasmolekylerna i dem.
Flygplanets höjdmätare, instrument som mäter höjd, utnyttjar detta genom att mäta tryck och använda det för att uppskatta höjd, vanligtvis i termer av medelvattennivå (MSL). Globala positionssystem (GPS) ger dig ett mer exakt svar genom att mäta det faktiska avståndet över havet.
Enheter av densitet
Forskare och ingenjörer använder mestadels SI-enheter för densitet på kg / m3. Andra användningar kan vara mer användbara baserat på fall och syfte. Mindre densiteter såsom spårämnen i fasta föremål som stål kan i allmänhet uttryckas lättare med enheter av g / cm3. Andra möjliga densitetsenheter inkluderar kg / l och g / ml.
Kom ihåg att när du konverterar mellan olika enheter för densitet, måste du ta hänsyn till volymens tre dimensioner som en exponentiell faktor om du behöver ändra enheterna för volym.
Till exempel om du vill konvertera 5 kg / cm3 till kg / m3, skulle du multiplicera 5 med 1003, inte bara 100, för att få resultatet av 5 x 106 kg / m3.
Andra praktiska omvandlingar inkluderar 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 och 1 g / ml = 1000 kg / m3. Dessa förhållanden visar mångsidigheten hos densitetsenheter för den önskade situationen.
I USA: s vanliga standardstandarder för enheter kanske du är mer vana vid att använda enheter som fötter eller pund istället för meter respektive kilogram. I dessa scenarier kan du komma ihåg några användbara omvandlingar som 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 och 1 lb / yd3 ≈ 0,037 lb / ft3. I dessa fall avser ≈ en approximation eftersom dessa siffror för omvandling inte är exakta.
Dessa densitetsenheter kan ge dig en bättre uppfattning om hur du mäter densitet hos mer abstrakta eller nyanserade koncept, såsom energitätheten hos material som används i kemiska reaktioner. Detta kan vara energitätheten hos bränslen som bilar använder vid antändning eller hur mycket kärnenergi som kan lagras i element som uran.
Att jämföra lufttätheten med densiteten hos elektriska fältlinjer runt ett elektriskt laddat objekt kan till exempel ge dig en bättre uppfattning om hur man integrerar kvantiteter över olika volymer.