Innhold
Selv om det kan virke som ingenting, har luften rundt deg en tetthet. Luftens tetthet kan måles og studeres for funksjoner i fysikk og kjemi som vekt, masse eller volum. Forskere og ingeniører bruker denne kunnskapen til å lage utstyr og produkter som utnytter lufttrykket når de blåser opp dekk, setter inn materialer gjennom sugepumper og lager vakuumtette tetninger.
Luftdensitetsformel
Den mest grunnleggende og greie lufttetthetsformelen er ganske enkelt å dele luftmassen med volumet. Dette er standard definisjonen av tetthet som ρ = m / V for tetthet ρ ("rho") vanligvis i kg / m3, masse m i kg og volum V i m3. For eksempel, hvis du hadde 100 kg luft som tok opp et volum på 1 m3, ville tettheten være 100 kg / m3.
For å få et bedre inntrykk av tettheten av luft spesifikt, må du redegjøre for hvordan luft er laget av forskjellige gasser når du formulerer dens tetthet. Ved konstant temperatur, trykk og volum er tørr luft vanligvis laget av 78% nitrogen (N2), 21% oksygen (O2) og en prosent argon (ar).
For å ta hensyn til effekten disse molekylene har på lufttrykket, kan du beregne luftmassen som summen av nitrogenatomer med to atomer på 14 atomenheter hver, oksygener to atomer på 16 atomenheter hver og argoner ett atom på 18 atomenheter .
Hvis luften ikke er helt tørr, kan du også legge til noen vannmolekyler (H2O) som er to atomenheter for de to hydrogenatomer og 16 atomenheter for det singulære oksygenatom. Hvis du beregner hvor mye luftmasse du har, kan du anta at disse kjemiske bestanddelene er fordelt jevnt over det og deretter beregne prosentandelen av disse kjemiske komponentene i tørr luft.
Du kan også bruke spesifikk vekt, forholdet mellom vekt og volum i beregningen av tetthet. Den spesifikke vekten γ ("gamma") er gitt av ligningen γ = (m * g) / V = ρ * g som legger til en ekstra variabel g som konstanten av gravitasjonsakselerasjonen 9,8 m / s2. I dette tilfellet er produktet av masse og gravitasjonsakselerasjon vekten av gassen, og deler denne verdien med volumet V kan fortelle deg hvilken gassspesifikk vekt.
Kalkulator for luftdensitet
En online kalkulator for lufttetthet som den fra Engineering Toolbox lar deg beregne teoretiske verdier for lufttetthet ved gitte temperaturer og trykk. Nettstedet gir også en lufttetthetstabel over verdier ved forskjellige temperaturer og trykk. Disse grafene viser hvordan tetthet og spesifikk vekt avtar ved høyere temperaturverdier og trykk.
Du kan gjøre dette på grunn av loven fra Avogadros, som sier at "like volum av alle gasser, med samme temperatur og trykk, har samme antall molekyler." Av denne grunn bruker forskere og ingeniører dette forholdet til å bestemme temperatur, trykk eller tetthet når de vet annen informasjon om et volum av gass de studerer.
Krumningen av disse grafene betyr at det er et logaritmisk forhold mellom disse mengdene. Du kan vise at dette samsvarer med teori ved å ordne den ideelle gassloven: PV = mRT for press P, volum V, masse av gassen m, gasskonstant R (0.167226 J / kg K) og temperatur T å få ρ = P / RT der ρ er tetthet i enheter på m / V masse / volum (kg / m3). Husk at denne versjonen av den ideelle gassloven bruker R gasskonstant i masseenheter, ikke mol.
Variasjonen av den ideelle gassloven viser at når temperaturen øker, øker tettheten logaritmisk fordi 1 / T er proporsjonal med ρ. Dette inverse forholdet beskriver krumningen av lufttetthetsgrafene og tabellene for lufttetthet.
Luftdensitet vs. høyde
Tørr luft kan falle inn under en av to definisjoner. Det kan være luft uten spor av vann i det, eller det kan være luft med lav relativitetsfuktighet, som kan endres i større høyder. Lufttetthetstabeller som de på Omnicalculator viser hvordan lufttettheten endres med hensyn til høyden. Omnicalculator har også en kalkulator for å bestemme lufttrykket i en gitt høyde.
Når høyden øker, reduseres lufttrykket først og fremst på grunn av gravitasjonsattraksjonen mellom luft og jord. Dette er fordi gravitasjonsattraksjonen mellom jorden og luftmolekylene avtar, og reduserer kreftenes trykk mellom molekylene når du går til større høyder.
Det skjer også fordi molekylene har mindre vekt selv fordi mindre vekt på grunn av tyngdekraften i større høyder. Dette forklarer hvorfor noen matvarer tar lengre tid å tilberede når de er i større høyder, da de trenger mer varme eller høyere temperatur for å begeistre gassmolekylene i dem.
Flyhøydemålere, instrumenter som måler høyden, drar fordel av dette ved å måle trykk og bruke det til å estimere høyden, vanligvis når det gjelder gjennomsnittlig havnivå (MSL). GPS-systemer gir deg et mer presist svar ved å måle den faktiske avstanden over havet.
Enheter av tetthet
Forskere og ingeniører bruker stort sett SI-enhetene for tetthet på kg / m3. Andre bruksområder kan være mer anvendelige basert på sak og formål. Mindre tetthet som sporstoffer i faste gjenstander som stål, kan generelt uttrykkes lettere ved bruk av enheter på g / cm3. Andre mulige tetthetsenheter inkluderer kg / l og g / ml.
Husk at når du konverterer mellom forskjellige enheter for tetthet, må du redegjøre for de tre volumdimensjonene som en eksponentiell faktor hvis du trenger å endre enhetene for volum.
Hvis du for eksempel ville konvertere 5 kg / cm3 til kg / m3, ville du multiplisert 5 med 1003, ikke bare 100, for å få resultatet på 5 x 106 kg / m3.
Andre nyttige konverteringer inkluderer 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 og 1 g / ml = 1000 kg / m3. Disse sammenhengene viser allsidigheten til tetthetsenheter for den ønskede situasjonen.
I USAs vanlige standarder for enheter er du kanskje mer vant til å bruke enheter som føtter eller pund i stedet for henholdsvis meter eller kilo. I disse scenariene kan du huske noen nyttige konverteringer som 1 oz3 = 108 pund / fot3, 1 pund / gal ≈ 7,48 pund / fot3 og 1 lb / yd3 ≈ 0,037 pund / fot3. I disse tilfellene refererer ≈ til en tilnærming fordi disse tallene for konvertering ikke er nøyaktige.
Disse tetthetsenhetene kan gi deg en bedre ide om hvordan du måler tettheten av mer abstrakte eller nyanserte konsepter som energitettheten til materialer som brukes i kjemiske reaksjoner. Dette kan være energitettheten til drivstoff biler bruker i tenning eller hvor mye kjernekraft som kan lagres i elementer som uran.
Sammenligning av lufttetthet og tetthet av elektriske feltlinjer rundt et elektrisk ladet objekt, for eksempel, kan gi deg en bedre ide om hvordan du integrerer mengder over forskjellige volumer.