Содержание
- Формула плотности воздуха
- Калькулятор плотности воздуха
- Плотность воздуха против высоты
- Единицы плотности
Хотя это может показаться ничем, воздух вокруг вас имеет плотность. Плотность воздуха может быть измерена и изучена с учетом особенностей физики и химии, таких как его вес, масса или объем. Ученые и инженеры используют эти знания при создании оборудования и продуктов, которые используют давление воздуха при накачивании шин, впрыскивание материалов через всасывающие насосы и создание герметичных уплотнений.
Формула плотности воздуха
Самая простая и простая формула плотности воздуха просто делит массу воздуха на его объем. Это стандартное определение плотности как ρ = м / в для плотности ρ ("ро") обычно в кг / м3, масса м в кг и объеме В в м3, Например, если у вас было 100 кг воздуха, который занимал объем 1 м3плотность будет 100 кг / м3.
Чтобы лучше понять плотность воздуха, вам нужно учитывать, как воздух состоит из разных газов при определении его плотности. При постоянной температуре, давлении и объеме сухой воздух обычно состоит из 78% азота (N2), 21% кислорода (О2) и один процент аргона (Арканзас).
Чтобы учесть влияние, которое эти молекулы оказывают на давление воздуха, вы можете рассчитать массу воздуха как сумму атомов азота двух атомов по 14 атомных единиц каждый, двух атомов кислорода по 16 атомных единиц каждый и одного атома аргона из 18 атомных единиц ,
Если воздух не полностью сухой, вы также можете добавить несколько молекул воды (ЧАС2О), которые представляют собой две атомные единицы для двух атомов водорода и 16 атомных единиц для единственного атома кислорода. Если вы подсчитаете, сколько у вас массы воздуха, вы можете предположить, что эти химические составляющие распределены по нему равномерно, а затем рассчитать процентное содержание этих химических компонентов в сухом воздухе.
Также можно использовать удельный вес, отношение веса к объему при расчете плотности. Удельный вес γ («гамма») задается уравнением γ = (м * г) / V = ρ * г это добавляет дополнительную переменную грамм в качестве константы гравитационного ускорения 9,8 м / с2, В этом случае произведение массы на гравитационное ускорение представляет собой вес газа, и деление этой величины на объем В могу сказать вам удельный вес газа.
Калькулятор плотности воздуха
Онлайн-калькулятор плотности воздуха, например, от Engineering Toolbox, позволяет рассчитать теоретические значения плотности воздуха при заданных температурах и давлениях. Веб-сайт также предоставляет таблицу значений плотности воздуха при различных температурах и давлениях. Эти графики показывают, как плотность и удельный вес уменьшаются при более высоких значениях температуры и давления.
Вы можете сделать это из-за закона Авогадроса, который гласит, что «равные объемы всех газов при одинаковой температуре и давлении имеют одинаковое количество молекул». По этой причине ученые и инженеры используют это соотношение при определении температуры, давления или плотности, когда им известна другая информация об объеме газа, который они изучают.
Кривизна этих графиков означает, что между этими величинами существует логарифмическая связь. Вы можете показать, что это соответствует теории, перестроив закон идеального газа: PV = мРт для давления п, объем ВМасса газа мгазовая постоянная р (0,167226 Дж / кг К) и температура T получить ρ = P / RT, в котором ρ плотность в единицах моторное судно масса / объем (кг / м3). Имейте в виду, что эта версия закона об идеальном газе использует р газовая постоянная в единицах массы, а не в молях.
Изменение закона идеального газа показывает, что с ростом температуры плотность увеличивается логарифмически, потому что 1 / Т пропорционально ρ. Эта обратная зависимость описывает кривизну графиков плотности воздуха и таблиц плотности воздуха.
Плотность воздуха против высоты
Сухой воздух может подпадать под одно из двух определений. Это может быть воздух без каких-либо следов воды или воздух с низкой относительной влажностью, который можно менять на больших высотах. Таблицы плотности воздуха, такие как таблица на Omnicalculator, показывают, как плотность воздуха изменяется в зависимости от высоты. Omnicalculator также имеет калькулятор для определения давления воздуха на заданной высоте.
По мере увеличения высоты давление воздуха уменьшается, главным образом, из-за гравитационного притяжения между воздухом и землей. Это потому, что гравитационное притяжение между землей и молекулами воздуха уменьшается, уменьшая давление сил между молекулами, когда вы поднимаетесь на более высокие высоты.
Это также происходит потому, что молекулы сами имеют меньший вес из-за меньшего веса из-за гравитации на больших высотах. Это объясняет, почему некоторым продуктам требуется больше времени для приготовления пищи на больших высотах, поскольку им требуется больше тепла или более высокая температура для возбуждения молекул газа внутри них.
Авиационные альтиметры, приборы, которые измеряют высоту, используют это для измерения давления и используют его для оценки высоты, обычно в терминах среднего уровня моря (MSL). Система глобального позиционирования (GPS) дает вам более точный ответ, измеряя фактическое расстояние над уровнем моря.
Единицы плотности
Ученые и инженеры в основном используют единицы СИ для плотности кг / м3, Другое использование может быть более применимым в зависимости от случая и цели. Меньшие плотности, такие как содержание микроэлементов в твердых объектах, таких как сталь, как правило, легче выразить, используя единицы в г / см.3, Другие возможные единицы плотности включают кг / л и г / мл.
Имейте в виду, что при преобразовании между различными единицами измерения плотности необходимо учитывать три измерения объема как экспоненциальный коэффициент, если необходимо изменить единицы измерения объема.
Например, если вы хотите конвертировать 5 кг / см3 до кг / м3, вы бы умножили 5 на 1003, а не просто 100, чтобы получить результат 5 х 106 кг / м3.
Другие удобные преобразования включают 1 г / см3 = 0,001 кг / м31 кг / л = 1000 кг / м3 и 1 г / мл = 1000 кг / м3, Эти отношения показывают универсальность единиц плотности для желаемой ситуации.
В общепринятых в Соединенных Штатах стандартах единиц вы можете более привыкнуть к использованию таких единиц, как футы или фунты вместо метров или килограммов соответственно. В этих сценариях вы можете вспомнить некоторые полезные преобразования, такие как 1 унция / дюйм3 = 108 фунтов / фут3, 1 фунт / галлон ≈ 7,48 фунт / фут3 и 1 фунт / ярд3 0,037 фунт / фут3, В этих случаях ≈ относится к приближению, поскольку эти числа для преобразования не являются точными.
Эти единицы плотности могут дать вам лучшее представление о том, как измерить плотность более абстрактных или нюансовых понятий, таких как плотность энергии материалов, используемых в химических реакциях. Это может быть плотность энергии топлива, используемого автомобилями для зажигания, или сколько ядерной энергии может храниться в таких элементах, как уран.
Например, сравнение плотности воздуха с плотностью линий электрического поля вокруг электрически заряженного объекта может дать вам лучшее представление о том, как интегрировать величины в разных объемах.