วิธีการคำนวณความหนาแน่นของอากาศ

แม้ว่าจะดูเหมือนไม่มีอะไร แต่อากาศรอบตัวคุณมีความหนาแน่น ความหนาแน่นของอากาศสามารถวัดและศึกษาคุณสมบัติของฟิสิกส์และเคมี เช่น น้ำหนัก มวล หรือปริมาตร นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรใช้ความรู้นี้ในการสร้างอุปกรณ์และผลิตภัณฑ์ที่ใช้ประโยชน์จาก แรงดันลมขณะสูบลมยาง ส่งวัสดุผ่านปั๊มดูด และสร้างสุญญากาศให้แน่น แมวน้ำ

สูตรความหนาแน่นของอากาศพื้นฐานและตรงไปตรงมาที่สุดคือการหารมวลอากาศด้วยปริมาตร นี่คือคำจำกัดความมาตรฐานของความหนาแน่นเป็น

เพื่อความหนาแน่นρ("rho") โดยทั่วไปในหน่วย kg/m³, มวลมในหน่วยกิโลกรัมและปริมาตรวีใน m³. ตัวอย่างเช่น หากคุณมีอากาศ 100 กก. ที่มีปริมาตร 1 m³, ความหนาแน่นจะเป็น 100 กก./ลบ.ม³.

เพื่อให้ได้แนวคิดที่ดีขึ้นเกี่ยวกับความหนาแน่นของอากาศโดยเฉพาะ คุณต้องพิจารณาว่าอากาศประกอบด้วยก๊าซชนิดต่างๆ อย่างไรเมื่อกำหนดความหนาแน่นของอากาศ ที่อุณหภูมิ ความดัน และปริมาตรคงที่ โดยปกติอากาศแห้งจะประกอบด้วยไนโตรเจน 78% (นู๋₂), ออกซิเจน 21% (อู๋₂) และอาร์กอนหนึ่งเปอร์เซ็นต์ (อา​).

เพื่อพิจารณาผลกระทบที่โมเลกุลเหล่านี้มีต่อความกดอากาศ คุณสามารถคำนวณมวลของอากาศเป็นผลรวมของ ไนโตรเจน 2 อะตอม อะตอมละ 14 หน่วย อะตอมของออกซิเจน 2 อะตอม หน่วยอะตอม 16 หน่วย และอะตอมเดี่ยวของอาร์กอนจำนวน 18 อะตอม หน่วย

หากอากาศไม่แห้งสนิท คุณสามารถเพิ่มโมเลกุลของน้ำ (โฮ₂อู๋) ซึ่งเป็นหน่วยอะตอมสองหน่วยสำหรับอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมและหน่วยอะตอม 16 หน่วยสำหรับอะตอมออกซิเจนเอกพจน์ หากคุณคำนวณมวลของอากาศที่คุณมี คุณสามารถสรุปได้ว่าองค์ประกอบทางเคมีเหล่านี้คือ กระจายไปทั่วอย่างสม่ำเสมอแล้วคำนวณเปอร์เซ็นต์ขององค์ประกอบทางเคมีเหล่านี้ในที่แห้ง อากาศ

คุณยังสามารถใช้น้ำหนักเฉพาะ อัตราส่วนของน้ำหนักต่อปริมาตรในการคำนวณความหนาแน่น น้ำหนักจำเพาะγ("แกมมา") ถูกกำหนดโดยสมการ

ที่เพิ่มตัวแปรเพิ่มเติมกเป็นค่าคงที่ความเร่งโน้มถ่วง 9.8 m/s². ในกรณีนี้ ผลคูณของมวลและความเร่งโน้มถ่วงคือน้ำหนักของก๊าซ และหารค่านี้ด้วยปริมาตรวีสามารถบอกน้ำหนักจำเพาะของแก๊สได้

เครื่องคำนวณความหนาแน่นอากาศออนไลน์ เช่น one by กล่องเครื่องมือวิศวกรรม ให้คุณคำนวณค่าตามทฤษฎีสำหรับความหนาแน่นของอากาศที่อุณหภูมิและความดันที่กำหนด เว็บไซต์ยังมีตารางค่าความหนาแน่นของอากาศที่อุณหภูมิและความดันต่างๆ กราฟเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นและน้ำหนักจำเพาะลดลงอย่างไรเมื่อค่าอุณหภูมิและความดันสูงขึ้น

คุณสามารถทำได้เพราะกฎของอาโวกาโดรซึ่งระบุว่า "ปริมาตรเท่ากันของก๊าซทั้งหมด ที่อุณหภูมิและความดันเท่ากัน มีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน" สำหรับสิ่งนี้ เหตุผล นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรใช้ความสัมพันธ์นี้ในการกำหนดอุณหภูมิ ความดัน หรือความหนาแน่นเมื่อทราบข้อมูลอื่นๆ เกี่ยวกับปริมาตรของก๊าซ กำลังศึกษา

ความโค้งของกราฟเหล่านี้หมายความว่ามีความสัมพันธ์แบบลอการิทึมระหว่างปริมาณเหล่านี้ คุณสามารถแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้ตรงกับทฤษฎีโดยการจัดกฎก๊าซในอุดมคติใหม่:

เพื่อความกดดันพี, ปริมาณวี, มวลของก๊าซม, ค่าคงที่แก๊ส gasR(0.167226 J/kg K) และอุณหภูมิตู่ที่จะได้รับρ​

ซึ่งในρคือความหนาแน่นในหน่วยของเมตร/Vมวล/ปริมาตร (กก./ม.³). โปรดจำไว้ว่ากฎของแก๊สในอุดมคติรุ่นนี้ใช้Rค่าคงที่ของแก๊สในหน่วยมวล ไม่ใช่โมล

การแปรผันของกฎแก๊สในอุดมคติแสดงให้เห็นว่า เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นตามลอการิทึมเพราะ1/ทีเป็นสัดส่วนกับρ.ความสัมพันธ์แบบผกผันนี้อธิบายความโค้งของกราฟความหนาแน่นอากาศและตารางความหนาแน่นของอากาศ

อากาศแห้งอาจอยู่ภายใต้หนึ่งในสองคำจำกัดความ อาจเป็นอากาศที่ไม่มีน้ำอยู่ในนั้นหรืออาจเป็นอากาศที่มีความชื้นสัมพัทธภาพต่ำซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น ตารางความหนาแน่นของอากาศเช่นหนึ่งบน เครื่องคิดเลข แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของอากาศเปลี่ยนแปลงไปตามระดับความสูงอย่างไร เครื่องคิดเลข ยังมีเครื่องคิดเลขเพื่อกำหนดความกดอากาศที่ระดับความสูงที่กำหนด

เมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น ความกดอากาศจะลดลงเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างอากาศกับโลกเป็นหลัก เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างโลกกับโมเลกุลของอากาศลดลง ทำให้ความดันของแรงระหว่างโมเลกุลลดลงเมื่อคุณไปยังระดับความสูงที่สูงขึ้น

นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นเนื่องจากโมเลกุลมีน้ำหนักน้อยกว่าเพราะน้ำหนักน้อยกว่าเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมอาหารบางชนิดจึงใช้เวลานานขึ้นในการปรุงอาหารเมื่ออยู่ในระดับความสูงที่สูงขึ้น เนื่องจากพวกเขาต้องการความร้อนมากขึ้นหรืออุณหภูมิที่สูงขึ้นเพื่อกระตุ้นโมเลกุลของแก๊สภายในอาหาร

เครื่องวัดระยะสูงของเครื่องบิน เครื่องมือที่ใช้วัดระดับความสูง ใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้โดยการวัดความดันและใช้สิ่งนั้นเพื่อประเมินระดับความสูง ซึ่งมักจะอยู่ในรูปของระดับน้ำทะเลปานกลาง (MSL) ระบบตำแหน่งทั่วโลก (GPS) ให้คำตอบที่แม่นยำยิ่งขึ้นโดยการวัดระยะทางจริงเหนือระดับน้ำทะเล

นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรส่วนใหญ่ใช้หน่วย SI สำหรับความหนาแน่นของ kg/m³. การใช้งานอื่นๆ อาจมีความเหมาะสมมากขึ้นตามกรณีและวัตถุประสงค์ ความหนาแน่นที่เล็กกว่า เช่น ธาตุขนาดเล็กในวัตถุที่เป็นของแข็ง เช่น เหล็ก โดยทั่วไปสามารถแสดงได้ง่ายกว่าโดยใช้หน่วย g/cm³. หน่วยความหนาแน่นอื่นๆ ที่เป็นไปได้ ได้แก่ kg/L และ g/mL

โปรดทราบว่าเมื่อทำการแปลงระหว่างหน่วยต่างๆ สำหรับความหนาแน่น คุณต้องพิจารณาปริมาตรสามมิติเป็นปัจจัยเลขชี้กำลัง หากคุณต้องการเปลี่ยนหน่วยสำหรับปริมาตร

ตัวอย่างเช่น หากคุณต้องการแปลง 5 กก./ซม.³ เป็น kg/m/³, คุณจะคูณ 5 ด้วย 100³ไม่ใช่แค่ 100 เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ 5 x 10⁶ กก./ม.³.

การแปลงอื่นๆ ที่มีประโยชน์ ได้แก่ 1 g/cm³ = .001 กก./ม.³, 1 กก./ลิตร = 1,000 กก./ลบ.ม³ และ 1 ก./มล. = 1,000 กก./ลบ.ม³. ความสัมพันธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเก่งกาจของหน่วยความหนาแน่นสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการ

ในมาตรฐานตามธรรมเนียมของสหรัฐอเมริกา คุณอาจคุ้นเคยกับการใช้หน่วยอย่างเช่น ฟุตหรือปอนด์ แทนที่จะเป็นเมตรหรือกิโลกรัมตามลำดับ ในสถานการณ์เหล่านี้ คุณสามารถจำการแปลงที่มีประโยชน์บางอย่างได้ เช่น 1 ออนซ์/นิ้ว³ = 108 ปอนด์ / ฟุต³, 1 ปอนด์ / แกลลอน ≈ 7.48 ปอนด์ / ฟุต³ และ 1 ปอนด์/หลา³ ≈ 0.037 ปอนด์ / ฟุต³. ในกรณีเหล่านี้ ≈ หมายถึงค่าประมาณเนื่องจากตัวเลขสำหรับการแปลงไม่แน่นอน

หน่วยความหนาแน่นเหล่านี้จะช่วยให้คุณมีแนวคิดที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีการวัดความหนาแน่นของแนวคิดที่เป็นนามธรรมหรือแนวคิดที่เหมาะสมยิ่งขึ้น เช่น ความหนาแน่นพลังงานของวัสดุที่ใช้ในปฏิกิริยาเคมี นี่อาจเป็นความหนาแน่นของพลังงานของเชื้อเพลิงที่รถยนต์ใช้ในการจุดไฟ หรือปริมาณพลังงานนิวเคลียร์ที่สามารถเก็บสะสมไว้ในองค์ประกอบต่างๆ เช่น ยูเรเนียม

ตัวอย่างเช่น การเปรียบเทียบความหนาแน่นของอากาศกับความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้ารอบวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า ช่วยให้คุณมีแนวคิดที่ดียิ่งขึ้นในการรวมปริมาณเข้ากับปริมาตรต่างๆ