Zawartość
- Formuła gęstości powietrza
- Kalkulator gęstości powietrza
- Gęstość powietrza a wysokość
- Jednostki gęstości
Chociaż może się to wydawać niczym, powietrze wokół ciebie ma gęstość. Gęstość powietrza można zmierzyć i zbadać pod kątem cech fizyki i chemii, takich jak jego waga, masa lub objętość. Naukowcy i inżynierowie wykorzystują tę wiedzę do tworzenia sprzętu i produktów wykorzystujących ciśnienie powietrza podczas pompowania opon, przepompowywania materiałów przez pompy ssące i tworzenia szczelnych uszczelnień.
Formuła gęstości powietrza
Najbardziej podstawową i bezpośrednią formułą gęstości powietrza jest po prostu podzielenie masy powietrza przez jego objętość. Jest to standardowa definicja gęstości jako ρ = m / V dla gęstości ρ („rho”) ogólnie w kg / m3masa m w kg i objętości V. wm3. Na przykład, jeśli masz 100 kg powietrza, które zajmuje objętość 1 m3gęstość wyniósłaby 100 kg / m3.
Aby uzyskać lepsze pojęcie o gęstości powietrza, należy wziąć pod uwagę, w jaki sposób powietrze jest wytwarzane z różnych gazów podczas formułowania jego gęstości. W stałej temperaturze, ciśnieniu i objętości suche powietrze jest zazwyczaj wykonane z 78% azotu (N.2), 21% tlenu (O2) i jeden procent argonu (Ar).
Aby wziąć pod uwagę wpływ, jaki te cząsteczki wywierają na ciśnienie powietrza, można obliczyć masę powietrza jako sumę atomów azotu dwóch atomów po 14 jednostek atomowych każdy, tlenów dwa atomy po 16 jednostek atomowych każdy i argonu pojedynczy atom 18 jednostek atomowych .
Jeśli powietrze nie jest całkowicie suche, możesz również dodać cząsteczki wody (H.2O), które są dwiema jednostkami atomowymi dla dwóch atomów wodoru i 16 jednostkami atomowymi dla pojedynczego atomu tlenu. Jeśli obliczysz, ile masz powietrza, możesz założyć, że te składniki chemiczne są rozmieszczone w nim równomiernie, a następnie obliczyć procent tych składników chemicznych w suchym powietrzu.
Do obliczenia gęstości można również użyć ciężaru właściwego, stosunku masy do objętości. Ciężar właściwy γ („gamma”) podaje równanie γ = (m * g) / V = ρ * g to dodaje dodatkową zmienną sol jako stała przyspieszenia grawitacyjnego 9,8 m / s2. W tym przypadku iloczynem masy i przyspieszenia grawitacyjnego jest ciężar gazu i dzielenie tej wartości przez objętość V. może powiedzieć ci ciężar właściwy gazu.
Kalkulator gęstości powietrza
Internetowy kalkulator gęstości powietrza, taki jak opracowany przez Engineering Toolbox, pozwala obliczyć teoretyczne wartości gęstości powietrza w danych temperaturach i ciśnieniach. Strona internetowa zawiera również tabelę gęstości powietrza dla różnych temperatur i ciśnień. Te wykresy pokazują, jak gęstość i ciężar właściwy spadają przy wyższych wartościach temperatury i ciśnienia.
Możesz to zrobić ze względu na prawo Avogadrosa, które stwierdza, że „równe objętości wszystkich gazów, w tej samej temperaturze i ciśnieniu, mają tę samą liczbę cząsteczek”. Z tego powodu naukowcy i inżynierowie wykorzystują tę zależność do określania temperatury, ciśnienia lub gęstości, gdy znają inne informacje na temat badanej objętości gazu.
Krzywizna tych wykresów oznacza, że istnieje logarytmiczna zależność między tymi wielkościami. Możesz pokazać, że jest to zgodne z teorią poprzez zmianę aranżacji prawa gazu doskonałego: PV = mRT na ciśnienie P., Tom V., masa gazu m, stała gazu R (0,167226 J / kg K) i temperaturę T. dostać ρ = P / RT, w którym ρ to gęstość w jednostkach m / V masa / objętość (kg / m3). Należy pamiętać, że ta wersja idealnego prawa gazu korzysta z R stała gazu w jednostkach masy, a nie w molach.
Zmiana prawa gazu doskonałego pokazuje, że wraz ze wzrostem temperatury gęstość rośnie logarytmicznie, ponieważ 1 / T jest proporcjonalny do ρ. Ta odwrotna zależność opisuje krzywiznę wykresów gęstości powietrza i tabel gęstości powietrza.
Gęstość powietrza a wysokość
Suche powietrze może podlegać jednej z dwóch definicji. Może to być powietrze bez śladu wody lub może to być powietrze o niskiej wilgotności względnej, które można zmieniać na większych wysokościach. Tabele gęstości powietrza, takie jak ta w OmNIKculator, pokazują, jak zmienia się gęstość powietrza w zależności od wysokości. Omnikulator posiada również kalkulator do określania ciśnienia powietrza na danej wysokości.
Wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie powietrza spada głównie z powodu przyciągania grawitacyjnego między powietrzem a ziemią. Dzieje się tak, ponieważ maleje siła przyciągania grawitacyjnego między ziemią a cząsteczkami powietrza, zmniejszając ciśnienie sił między cząsteczkami, gdy idziesz na wyższe wysokości.
Dzieje się tak również dlatego, że cząsteczki same mają mniejszą wagę, ponieważ mniejsza waga z powodu grawitacji na wyższych wysokościach. To wyjaśnia, dlaczego niektóre potrawy gotują się dłużej na dużych wysokościach, ponieważ potrzebują więcej ciepła lub wyższej temperatury, aby wzbudzić znajdujące się w nich cząsteczki gazu.
Wysokościomierze lotnicze, przyrządy mierzące wysokość, wykorzystują to, mierząc ciśnienie i wykorzystując je do oszacowania wysokości, zwykle w kategoriach średniego poziomu morza (MSL). Globalne systemy pozycjonowania (GPS) dają bardziej precyzyjną odpowiedź, mierząc rzeczywistą odległość nad poziomem morza.
Jednostki gęstości
Naukowcy i inżynierowie używają głównie jednostek SI dla gęstości w kg / m3. Inne zastosowania mogą być bardziej odpowiednie w zależności od przypadku i celu. Mniejsze gęstości, takie jak pierwiastki śladowe w ciałach stałych, takich jak stal, można ogólnie łatwiej wyrazić za pomocą jednostek g / cm3. Inne możliwe jednostki gęstości obejmują kg / l ig / ml.
Należy pamiętać, że przy konwersji między różnymi jednostkami gęstości należy uwzględnić trzy wymiary objętości jako wykładniczy czynnik, jeśli trzeba zmienić jednostki objętości.
Na przykład, jeśli chcesz przeliczyć 5 kg / cm3 do kg / m3, pomnożymy 5 przez 1003, nie tylko 100, aby uzyskać wynik 5 x 106 kg / m3.
Inne przydatne konwersje obejmują 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 i 1 g / ml = 1000 kg / m23. Zależności te pokazują wszechstronność jednostek gęstości dla pożądanej sytuacji.
W zwyczajowych standardach jednostek w Stanach Zjednoczonych możesz być bardziej przyzwyczajony do używania jednostek takich jak stopy lub funty zamiast odpowiednio metrów lub kilogramów. W tych scenariuszach możesz zapamiętać kilka przydatnych konwersji, takich jak 1 uncja / cal3 = 108 funtów / stopę3, 1 funt / gal ≈ 7,48 funt / stopa3 i 1 funt / rok3 ≈ 0,037 funta / stopy3. W takich przypadkach ≈ odnosi się do przybliżenia, ponieważ liczby do przeliczenia nie są dokładne.
Te jednostki gęstości mogą dać ci lepsze wyobrażenie o pomiarze gęstości bardziej abstrakcyjnych lub niuansowych koncepcji, takich jak gęstość energii materiałów stosowanych w reakcjach chemicznych. Może to być gęstość energetyczna paliw zużywanych przez samochody podczas zapłonu lub ilość energii jądrowej, która może być magazynowana w pierwiastkach takich jak uran.
Na przykład porównanie gęstości powietrza z gęstością linii pola elektrycznego wokół naładowanego elektrycznie obiektu może dać lepszy pomysł na całkowanie wielkości w różnych objętościach.