Obsah
Aj keď sa to môže zdať ako nič, vzduch okolo vás má hustotu. Hustota vzduchu sa dá merať a študovať pre vlastnosti fyziky a chémie, ako je jej hmotnosť, hmotnosť alebo objem. Vedci a inžinieri využívajú tieto znalosti pri vytváraní zariadení a výrobkov, ktoré využívajú tlak vzduchu pri nahustení pneumatík, pri použití materiálov pomocou sacích čerpadiel a pri vytváraní tesniacich podtlakov.
Vzorec hustoty vzduchu
Najzákladnejšou a najpriamejšou formuláciou hustoty vzduchu je jednoducho delenie hmotnosti vzduchu jeho objemom. Toto je štandardná definícia hustoty ako p = m / V pre hustotu ρ ("rho") všeobecne v kg / m3, hmotnosť m v kg a obj V v m3, Napríklad, ak ste mali 100 kg vzduchu, ktorý zaberal objem 1 m3, hustota by bola 100 kg / m3.
Ak chcete získať lepšiu predstavu o špecifickej hustote vzduchu, musíte pri formulovaní jeho hustoty zohľadniť, ako sa vzduch vyrába z rôznych plynov. Pri konštantnej teplote, tlaku a objeme je suchý vzduch typicky tvorený 78% dusíka (N2), 21% kyslík (O2) a jedno percento argónu (ar).
Ak chcete vziať do úvahy účinok, ktorý tieto molekuly majú na tlak vzduchu, môžete vypočítať hmotnosť vzduchu ako súčet atómov dusíka dvoch atómov po 14 atómových jednotkách, kyslíka dva atómy 16 atómových jednotiek a argónu jedného atómu 18 atómových jednotiek. ,
Ak vzduch nie je úplne suchý, môžete pridať aj niektoré molekuly vody (H2O), ktoré sú dvoma atómovými jednotkami pre dva atómy vodíka a 16 atómovými jednotkami pre jeden atóm kyslíka. Ak vypočítate, koľko vzduchu máte, môžete predpokladať, že tieto chemické zložky sú v ňom rovnomerne rozložené a potom vypočítajte percento týchto chemických zložiek v suchom vzduchu.
Pri výpočte hustoty môžete použiť aj špecifickú hmotnosť, pomer hmotnosti k objemu. Merná hmotnosť γ ("gama") je daná rovnicou y = (m * g) / V = p * g ktorý pridáva ďalšiu premennú g ako konštanta gravitačného zrýchlenia 9,8 m / s2, V tomto prípade je výsledkom hmotnosti a gravitačného zrýchlenia hmotnosť plynu a táto hodnota sa vydelí objemom. V vám môže povedať špecifickú hmotnosť plynu.
Kalkulačka hustoty vzduchu
Online kalkulačka hustoty vzduchu, ako je napríklad kalkulačka firmy Engineering Toolbox, vám umožňuje vypočítať teoretické hodnoty hustoty vzduchu pri daných teplotách a tlakoch. Webová stránka poskytuje aj tabuľku hodnôt hustoty vzduchu pri rôznych teplotách a tlakoch. Tieto grafy ukazujú, ako sa hustota a merná hmotnosť znižujú pri vyšších hodnotách teploty a tlaku.
Môžete to urobiť z dôvodu Avogadrosovho zákona, v ktorom sa uvádza, že „rovnaké objemy všetkých plynov pri rovnakej teplote a tlaku majú rovnaký počet molekúl“. Z tohto dôvodu vedci a inžinieri používajú tento vzťah pri určovaní teploty, tlaku alebo hustoty, keď poznajú ďalšie informácie o objeme plynu, ktorý študujú.
Zakrivenie týchto grafov znamená, že medzi týmito veličinami existuje logaritmický vzťah. Môžete ukázať, že to zodpovedá teórii opätovným usporiadaním zákona o ideálnom plyne: PV = mRT pre tlak P, objem Vhmotnosť plynu m, plynová konštanta R (0,1667226 J / kg K) a teplota T získať ρ = P / RT, v ktorom ρ je hustota v jednotkách m / V hmotnosť / objem (kg / m3). Majte na pamäti, že táto verzia zákona o ideálnom plyne používa internet R plynová konštanta v jednotkách hmotnosti, nie v móloch.
Zmeny zákona o ideálnom plyne ukazujú, že so zvyšujúcou sa teplotou sa logaritmicky zvyšuje hustota 1 / T je úmerný ρ. Tento inverzný vzťah opisuje zakrivenie grafov hustoty vzduchu a tabuliek hustoty vzduchu.
Hustota vzduchu verzus výška
Suchý vzduch môže spadať pod jednu z dvoch definícií. Môže to byť vzduch bez stopy vody v ňom alebo to môže byť vzduch s nízkou relatívnou vlhkosťou, ktorý sa môže meniť vo vyšších nadmorských výškach. Tabuľky hustoty vzduchu, ako sú tabuľky na Omnicalculatoru, ukazujú, ako sa mení hustota vzduchu s ohľadom na nadmorskú výšku. Omnicalculator má tiež kalkulačku na určenie tlaku vzduchu v danej nadmorskej výške.
S rastúcou nadmorskou výškou sa tlak vzduchu znižuje predovšetkým v dôsledku gravitačnej príťažlivosti medzi vzduchom a zemou. Je to preto, že gravitačná príťažlivosť medzi zemou a molekulami vzduchu klesá, čím sa znižuje tlak síl medzi molekulami, keď idete do vyšších nadmorských výšok.
Stáva sa to tiež preto, lebo samotné molekuly majú menšiu hmotnosť, pretože menšia hmotnosť je spôsobená gravitáciou vo vyšších nadmorských výškach. To vysvetľuje, prečo niektoré potraviny trvajú dlhšie varenie, keď sú vo vyšších nadmorských výškach, pretože na vyvolanie molekúl plynu v nich potrebujú viac tepla alebo vyššiu teplotu.
Výškomery lietadiel, prístroje, ktoré merajú nadmorskú výšku, to využívajú pri meraní tlaku a pri jeho použití na odhadovanie nadmorskej výšky, zvyčajne v podmienkach priemernej hladiny mora (MSL). Globálne polohové systémy (GPS) vám poskytujú presnejšiu odpoveď zmeraním skutočnej vzdialenosti nad hladinou mora.
Jednotky hustoty
Vedci a inžinieri väčšinou používajú jednotky SI na hustotu kg / m3, Iné použitia môžu byť vhodnejšie na základe prípadu a účelu. Menšie hustoty, ako sú hustoty stopových prvkov v tuhých predmetoch, ako je oceľ, sa dajú všeobecne ľahšie vyjadriť pomocou jednotiek g / cm3, Ďalšie možné jednotky hustoty zahŕňajú kg / lg / ml.
Nezabúdajte, že pri prevode medzi rôznymi jednotkami podľa hustoty je potrebné zohľadniť tri dimenzie objemu ako exponenciálny faktor, ak potrebujete jednotky zmeniť podľa objemu.
Napríklad, ak chcete previesť 5 kg / cm3 na kg / m3, vynásobili by ste číslom 53, nielen 100, aby ste dostali výsledok 5 x 106 kg / m3.
Ďalšie užitočné konverzie zahŕňajú 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / l = 1 000 kg / m3 a 1 g / ml = 1 000 kg / m3, Tieto vzťahy ukazujú univerzálnosť jednotiek hustoty pre požadovanú situáciu.
V obvyklých štandardoch jednotiek v Spojených štátoch môžete byť zvyknutí používať jednotky, ako sú nohy alebo libry namiesto metrov alebo kilogramov. V týchto scenároch si môžete zapamätať niektoré užitočné konverzie, napríklad 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 a 1 libra / rok3 0,037 lb / ft3, V týchto prípadoch ≈ znamená aproximáciu, pretože tieto čísla na prevod nie sú presné.
Tieto jednotky hustoty vám môžu poskytnúť lepšiu predstavu o tom, ako merať hustotu abstraktnejších alebo jemnejších konceptov, ako je napríklad hustota energie materiálov používaných pri chemických reakciách. Mohla by to byť energetická hustota palív, ktoré používajú automobily pri vznietení, alebo koľko jadrovej energie možno uložiť v prvkoch, ako je urán.
Napríklad porovnanie hustoty vzduchu s hustotou elektrického poľa okolo elektricky nabitého objektu vám môže poskytnúť lepšiu predstavu o tom, ako integrovať veličiny do rôznych objemov.