Зміст
Хоча це може здатися нічим, повітря навколо вас має щільність. Густину повітря можна виміряти та вивчити за такими ознаками фізики та хімії, як її вага, маса чи об'єм. Вчені та інженери використовують ці знання при створенні обладнання та виробів, які використовують переваги тиску повітря при надуванні шин, прокачування матеріалів через відсмоктувальні насоси та створення вакуум-герметичних ущільнювачів.
Формула густини повітря
Найбільш основна і найпростіша формула щільності повітря - це просто ділення маси повітря на її об'єм. Це стандартне визначення щільності як ρ = m / V для щільності ρ ("rho"), як правило, в кг / м3, маса м в кг і об'ємі V в м3. Наприклад, якщо у вас було 100 кг повітря, який займав об’єм 1 м3, щільність становила б 100 кг / м3.
Для кращого уявлення про щільність повітря конкретно вам потрібно враховувати, як повітря складається з різних газів при формулюванні його щільності. При постійній температурі, тиску і об'ємі сухе повітря зазвичай складається з 78% азоту (N2), 21% кисню (О2) і один відсоток аргону (Ар).
Для врахування ефекту, який ці молекули мають на тиск повітря, можна обчислити масу повітря як суму нітрогенів двох атомів по 14 атомних одиниць кожен, оксигенів два атоми по 16 атомних одиниць кожен і аргонів один атом 18 атомних одиниць .
Якщо повітря не висохне, можна також додати кілька молекул води (Н2О), які представляють собою дві атомні одиниці для двох атомів водню та 16 атомних одиниць для сингулярного атома кисню. Якщо підрахувати, яка у вас маса повітря, ви можете припустити, що ці хімічні компоненти розподіляються по всій території рівномірно, а потім обчислити відсоток цих хімічних компонентів у сухому повітрі.
Ви можете також використовувати питому вагу, відношення ваги до об'єму при обчисленні щільності. Питома вага γ ("гамма") задається рівнянням γ = (m * g) / V = ρ * g що додає додаткову змінну г як константа гравітаційного прискорення 9,8 м / с2. У цьому випадку добуток маси та гравітаційного прискорення є вагою газу та діленням цього значення на об'єм V може сказати вам питому вагу газів.
Калькулятор щільності повітря
Інтернет-калькулятор густини повітря, наприклад, від Engineering Toolbox, дозволяє обчислити 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 більш високих значеннях температури і тиску.
Це можна зробити через закон Авогадроса, який говорить, що «рівні об’єми всіх газів при однаковій температурі та тиску мають однакову кількість молекул». З цієї причини вчені та інженери використовують цю залежність при визначенні температури, тиску чи щільності, коли вони знають іншу інформацію про обсяг газу, який вони вивчають.
Кривизна цих графіків означає, що між цими величинами існує логарифмічна залежність. Ви можете показати, що це відповідає теорії, переупорядкувавши закон ідеального газу: PV = mRT для тиску П, обсяг V, маса газу м, газова константа R (0,167226 Дж / кг К) і температура Т отримати ρ = P / RT, в якій ρ - щільність в одиницях м / п маса / об'єм (кг / м3). Майте на увазі, що ця версія закону про ідеальний газ використовує R константа газу в одиницях маси, а не молей.
Різниця закону ідеального газу показує, що зі збільшенням температури щільність зростає логарифмічно, оскільки 1 / Т пропорційна ρ. Ця зворотна залежність описує кривизну графіків щільності повітря та таблиць щільності повітря.
Щільність повітря проти висоти
Сухе повітря може підпадати під одне з двох визначень. Це може бути повітря без жодних слідів води у ньому, або це може бути повітря з низькою відносністю вологості, яке можна змінювати на великих висотах. Таблиці щільності повітря, такі як таблиця на Omnicculator, показують, як змінюється щільність повітря щодо висоти. Omnicculator також має калькулятор для визначення тиску повітря на заданій висоті.
Зі збільшенням висоти тиск повітря зменшується насамперед за рахунок гравітаційного притягання повітря та землі. Це тому, що гравітаційне притягнення між землею і молекулами повітря зменшується, зменшуючи тиск сил між молекулами, коли ви переходите на більш високу висоту.
Це буває і тому, що молекули мають меншу вагу самі, тому що менша вага через гравітацію на більшій висоті. Це пояснює, чому деякі продукти займають більше часу для готування, коли на більшій висоті вони потребують більше тепла або підвищеної температури для збудження молекул газу всередині них.
Авіаційні висотоміри, прилади, що вимірюють висоту, скористаються цим шляхом вимірювання тиску і використовуючи його для оцінки висоти, як правило, з точки зору середнього рівня моря (MSL). Системи глобальних позицій (GPS) дають більш точну відповідь, вимірюючи фактичну відстань над рівнем моря.
Одиниці щільності
Вчені та інженери здебільшого використовують одиниці СІ для щільності кг / м3. Інші способи використання можуть бути більш застосовними залежно від випадку та цілі. Зменшені щільності, такі як мікроелементи в твердих предметах, таких як сталь, як правило, можна виразити легше, використовуючи одиниці г / см3. Інші можливі одиниці щільності включають кг / л та г / мл.
Майте на увазі, при перетворенні між різними одиницями по щільності вам потрібно враховувати три розміри об'єму як експоненціальний коефіцієнт, якщо вам потрібно змінити одиниці за обсягом.
Наприклад, якщо ви хотіли перетворити 5 кг / см3 до кг / м3, ви помножили 5 на 1003, а не лише 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 відносини показують універсальність одиниць щільності для бажаної ситуації.
У стандартних стандартних одиницях США ви, можливо, більше звикли використовувати одиниці, такі як фути або кілограми замість метрів або кілограмів відповідно. У цих сценаріях ви можете запам'ятати деякі корисні конверсії, наприклад, 1 унція / дюйм3 = 108 фунт / фут3, 1 фунт / гал ≈ 7,48 фунт / фут3 і 1 фунт / м3 ≈ 0,037 фунт / фут3. У цих випадках ≈ посилається на наближення, оскільки ці числа для перетворення не є точними.
Ці одиниці щільності можуть дати вам краще уявлення про те, як вимірювати щільність більш абстрактних або нюансованих понять, таких як щільність енергії матеріалів, що використовуються в хімічних реакціях. Це може бути щільність енергії пального, яке автомобілі використовують для займання, або скільки ядерної енергії може зберігатися в таких елементах, як уран.
Порівняння, наприклад, щільності повітря з щільністю ліній електричного поля навколо електрично зарядженого об'єкта, може дати вам краще уявлення про те, як інтегрувати величини в різні обсяги.