Як розрахувати щільність повітря

Хоча це може здаватися нічим, повітря навколо вас має щільність. Щільність повітря можна виміряти та вивчити з урахуванням особливостей фізики та хімії, таких як його вага, маса або об'єм. Вчені та інженери використовують ці знання при створенні обладнання та продуктів, якими користуються тиск повітря при накачуванні шин, передачі матеріалів через всмоктувальні насоси та створенні герметичності пломби.

Найпростіша і найпростіша формула щільності повітря - це просто ділення маси повітря на його об’єм. Це стандартне визначення щільності як

для щільностіρ("rho"), як правило, в кг / м³, масамв кг та обсязіVв м³. Наприклад, якщо у вас було 100 кг повітря, що займало об’єм 1 м³, щільність становила б 100 кг / м³.

Щоб отримати краще уявлення про щільність повітря, вам потрібно врахувати, як повітря складається з різних газів, формулюючи його щільність. При постійній температурі, тиску та обсязі сухе повітря зазвичай складається з 78% азоту (N₂), 21% кисню (О₂) і один відсоток аргону (Ар​).

Щоб врахувати вплив цих молекул на тиск повітря, можна розрахувати масу повітря як суму два атоми азоту по 14 атомних одиниць кожен, два атоми кисню по 16 атомних одиниць кожен і одиничний атом аргону 18 атомних одиниць од.

Якщо повітря не повністю сухе, ви також можете додати трохи молекул води (H₂О), які є двома атомними одиницями для двох атомів водню і 16 атомними одиницями для особливого атома кисню. Якщо підрахувати, яка маса повітря у вас, ви можете припустити, що ці хімічні складові є розподіляють по ній рівномірно, а потім обчислюють відсоток цих хімічних компонентів у сухому вигляді повітря.

Ви також можете використовувати питому вагу, відношення ваги до об’єму при обчисленні щільності. Питома вагаγ("гамма") задається рівнянням

що додає додаткову зміннуgяк константа гравітаційного прискорення 9,8 м / с². У цьому випадку добутком маси та гравітаційного прискорення є вага газу і ділення цього значення на об'ємVможе сказати вам питому вагу газу.

Інтернет-калькулятор щільності повітря, такий як one by Інженерний набір інструментів дозволить вам розрахувати теоретичні значення щільності повітря при заданих температурах і тиску. На веб-сайті також представлена ​​таблиця значень щільності повітря при різних температурах і тиску. Ці графіки показують, як щільність і питома вага зменшуються при вищих значеннях температури та тиску.

Ви можете зробити це через закон Авогадро, який стверджує, що «рівні обсяги всіх газів при однаковій температурі та тиску мають однакову кількість молекул». Для цього Тому вчені та інженери використовують це співвідношення для визначення температури, тиску або щільності, коли вони знають іншу інформацію про об'єм газу, яким вони є навчання.

Кривизна цих графіків означає, що існує логарифмічна залежність між цими величинами. Ви можете показати, що це відповідає теорії, переставивши закон ідеального газу:

для тискуP, обсягV, маса газум, газова постійнаР.(0,167226 Дж / кг К) і температураТотриматиρ​

в якійρ- щільність в одиницяхм / обмаса / об'єм (кг / м³). Майте на увазі, що в цій версії закону про ідеальний газ використовуєтьсяР.газова константа в одиницях маси, а не в молях.

Зміни закону ідеального газу показують, що зі збільшенням температури щільність збільшується логарифмічно, оскільки1 / Тпропорційнийρ.Ця зворотна залежність описує кривизну графіків щільності повітря та таблиць щільності повітря.

Сухе повітря може підпадати під одне з двох визначень. Це може бути повітря без будь-яких слідів води в ньому, або це повітря з низькою вологістю відносності, яку можна змінювати на більшій висоті. Таблиці щільності повітря, такі як на Омнікулятор показати, як змінюється щільність повітря щодо висоти. Омнікулятор також має калькулятор для визначення тиску повітря на певній висоті.

Зі збільшенням висоти тиск повітря зменшується в основному за рахунок гравітаційного притягання між повітрям і землею. Це пов’язано з тим, що гравітаційне тяжіння між землею і молекулами повітря зменшується, зменшуючи тиск сил між молекулами, коли ви піднімаєтесь на більші висоти.

Це трапляється також тому, що молекули самі мають меншу вагу, оскільки менша вага внаслідок гравітації на більших висотах. Це пояснює, чому деякі продукти їжі готуються довше, коли знаходяться на більшій висоті, оскільки їм потрібно більше тепла або більш висока температура, щоб збудити молекули газу в них.

Висотоміри літальних апаратів, прилади для вимірювання висоти, використовують це, вимірюючи тиск і використовуючи його для оцінки висоти, як правило, з точки зору середнього рівня моря (MSL). Системи глобальних позицій (GPS) дають вам більш точну відповідь, вимірюючи фактичну відстань над рівнем моря.

Вчені та інженери здебільшого використовують одиниці СІ для щільності кг / м³. Інші способи використання можуть бути більш застосовними залежно від випадку та цілей. Менші щільності, такі як щільність мікроелементів у твердих предметах, таких як сталь, як правило, легше виразити, використовуючи одиниці г / см³. Інші можливі одиниці вимірювання щільності включають кг / л та г / мл.

Майте на увазі, що при перерахунку між різними одиницями вимірювання щільності, вам потрібно враховувати три виміри об’єму як експоненціальний коефіцієнт, якщо вам потрібно змінити одиниці виміру об’єму.

Наприклад, якщо ви хочете перетворити 5 кг / см³ до кг / м³, ви помножите 5 на 100³, а не просто 100, щоб отримати результат 5 х 10⁶ кг / м³.

Інші зручні конверсії включають 1 г / см³ = .001 кг / м³, 1 кг / л = 1000 кг / м³ і 1 г / мл = 1000 кг / м³. Ці співвідношення показують універсальність одиниць щільності для бажаної ситуації.

У звичних для США стандартах одиниць виміру ви можете звикнути використовувати одиниці вимірювання, такі як фути або фунти, замість метрів або кілограмів відповідно. У цих сценаріях ви можете пам’ятати деякі корисні конверсії, такі як 1 унція / дюйм³ = 108 фунтів / фут³, 1 фунт / гал ≈ 7,48 фунт / фут³ і 1 фунт / дюйм³ ≈ 0,037 фунт / фут³. У цих випадках ≈ відноситься до наближення, оскільки ці числа для перетворення не є точними.

Ці одиниці густини можуть дати вам краще уявлення про те, як виміряти щільність більш абстрактних або тонких понять, таких як щільність енергії матеріалів, що використовуються в хімічних реакціях. Це може бути щільність енергії палива, яке автомобілі використовують при займанні, або те, скільки ядерної енергії може зберігатися в таких елементах, як уран.

Наприклад, порівняння густини повітря з густиною ліній електричного поля навколо електрично зарядженого об'єкта може дати вам краще уявлення про те, як інтегрувати величини в різні об'єми.