Περιεχόμενο
- Τύπος ατμοσφαιρικής πυκνότητας
- Υπολογιστής πυκνότητας αέρα
- Πυκνότητα αέρα έναντι υψομέτρου
- Μονάδες πυκνότητας
Αν και μπορεί να φαίνεται σαν τίποτα, ο αέρας γύρω σας έχει πυκνότητα. Η πυκνότητα του αέρα μπορεί να μετρηθεί και να μελετηθεί για χαρακτηριστικά της φυσικής και της χημείας, όπως το βάρος, η μάζα ή ο όγκος του. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν αυτή τη γνώση για τη δημιουργία εξοπλισμού και προϊόντων που επωφελούνται από την πίεση του αέρα όταν φουσκώνουν τα ελαστικά μέσω υλικών μέσω αντλιών αναρρόφησης και δημιουργούν στεγανές στεγανοποιήσεις.
Τύπος ατμοσφαιρικής πυκνότητας
Ο πιο βασικός και απλός τύπος ατμοσφαιρικής πυκνότητας απλά διαιρεί τη μάζα του αέρα από τον όγκο του. Αυτός είναι ο τυπικός ορισμός της πυκνότητας ως ρ = m / V για πυκνότητα ρ ("rho") γενικά σε kg / m3, μάζα Μ σε κιλά και όγκο V σε m3. Για παράδειγμα, αν είχατε 100 κιλά αέρα που ανέλαβε όγκο 1 μ3, η πυκνότητα θα είναι 100 kg / m3.
Για να πάρετε μια καλύτερη ιδέα για την πυκνότητα του αέρα ειδικά, θα πρέπει να λογοδοτήσετε για το πώς ο αέρας είναι κατασκευασμένος από διαφορετικά αέρια κατά τη διαμόρφωση της πυκνότητας του. Σε σταθερή θερμοκρασία, πίεση και όγκο, ο ξηρός αέρας τυπικά κατασκευάζεται από 78% άζωτο (Ν2), 21% οξυγόνο (Ο2) και ένα τοις εκατό αργόν (Ar).
Για να ληφθεί υπόψη η επίδραση που αυτά τα μόρια έχουν στην πίεση του αέρα, μπορείτε να υπολογίσετε τη μάζα του αέρα ως το άθροισμα των αζώτων δύο ατόμων με 14 ατομικές μονάδες το καθένα, τα οξυγόνα δύο ατόμων με 16 ατομικές μονάδες έκαστο και ένα άτομο αργού με 18 ατομικές μονάδες .
Αν ο αέρας δεν είναι εντελώς στεγνός, μπορείτε επίσης να προσθέσετε μερικά μόρια νερού (H2Ο) που είναι δύο ατομικές μονάδες για τα δύο άτομα υδρογόνου και 16 ατομικές μονάδες για το μοναδικό άτομο οξυγόνου. Αν υπολογίσετε πόση μάζα αέρα έχετε, μπορείτε να υποθέσετε ότι αυτά τα χημικά συστατικά κατανέμονται ομοιόμορφα σε αυτό και στη συνέχεια υπολογίστε το ποσοστό αυτών των χημικών συστατικών στον ξηρό αέρα.
Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε το ειδικό βάρος, τον λόγο του βάρους προς τον όγκο στην υπολογιστική πυκνότητα. Το ειδικό βάρος γ ("γ") δίνεται από την εξίσωση γ = (m * g) / ν = ρ * g που προσθέτει μια επιπλέον μεταβλητή σολ ως σταθερά βαρυτικής επιτάχυνσης 9,8 m / s2. Σε αυτή την περίπτωση, το προϊόν της επιτάχυνσης μάζας και βαρύτητας είναι το βάρος του αερίου και η διαίρεση αυτής της τιμής από τον όγκο V μπορεί να σας πει το βάρος του αερίου.
Υπολογιστής πυκνότητας αέρα
Ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής πυκνότητας αέρα, όπως αυτός της μηχανικής εργαλειοθήκης, σας επιτρέπει να υπολογίσετε τις θεωρητικές τιμές για την πυκνότητα του αέρα σε δεδομένες θερμοκρασίες και πιέσεις. Ο ιστότοπος παρέχει επίσης έναν πίνακα τιμών πυκνότητας αέρα σε διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Αυτά τα γραφήματα δείχνουν πως η πυκνότητα και το ειδικό βάρος μειώνονται σε υψηλότερες τιμές θερμοκρασίας και πίεσης.
Μπορείτε να το κάνετε αυτό εξαιτίας του νόμου Avogadros, ο οποίος δηλώνει ότι "ίσοι όγκοι όλων των αερίων, στην ίδια θερμοκρασία και πίεση, έχουν τον ίδιο αριθμό μορίων". Για το λόγο αυτό, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν αυτή τη σχέση για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας, της πίεσης ή της πυκνότητας όταν γνωρίζουν άλλες πληροφορίες σχετικά με έναν όγκο αερίου που μελετά.
Η καμπυλότητα αυτών των γραφημάτων σημαίνει ότι υπάρχει μια λογαριθμική σχέση μεταξύ αυτών των ποσοτήτων. Μπορείτε να δείξετε ότι αυτό ταιριάζει με τη θεωρία αναδιοργανώνοντας τον ιδανικό νόμο για το φυσικό αέριο: PV = mRT για πίεση Π, Ενταση ΗΧΟΥ V, μάζα του αερίου Μ, σταθερό αέριο R (0,167226 J / kg Κ) και θερμοκρασία Τ να πάρω ρ = P / RT στην οποία ρ είναι η πυκνότητα σε μονάδες m / V μάζα / όγκο (kg / m3). Λάβετε υπόψη ότι αυτή η έκδοση του ιδανικού νόμου για το φυσικό αέριο χρησιμοποιεί το R σταθερό αέριο σε μονάδες μάζας, όχι γραμμομόρια.
Η παραλλαγή του ιδανικού νόμου για το αέριο δείχνει ότι, καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η πυκνότητα αυξάνεται λογαριθμικά επειδή 1 / Τ είναι ανάλογη προς ρ. Αυτή η αντίστροφη σχέση περιγράφει την καμπυλότητα των γραφημάτων πυκνότητας αέρα και των πινάκων πυκνότητας αέρα.
Πυκνότητα αέρα έναντι υψομέτρου
Ο ξηρός αέρας μπορεί να εμπίπτει σε έναν από τους δύο ορισμούς. Μπορεί να είναι αέρας χωρίς ίχνος νερού μέσα σε αυτό ή μπορεί να είναι αέρας με χαμηλή υγρασία σχετικότητας, η οποία μπορεί να αλλάξει σε υψηλότερα υψόμετρα. Οι πίνακες πυκνότητας αέρα όπως ο πίνακας Omnicalculator δείχνουν πώς αλλάζει η πυκνότητα του αέρα σε σχέση με το υψόμετρο. Το Omnicalculator διαθέτει επίσης μια αριθμομηχανή για τον προσδιορισμό της πίεσης του αέρα σε ένα δεδομένο ύψος.
Καθώς αυξάνεται το υψόμετρο, η πίεση του αέρα μειώνεται κυρίως λόγω της βαρυτικής έλξης μεταξύ του αέρα και της γης. Αυτό συμβαίνει επειδή μειώνεται η βαρυτική έλξη ανάμεσα στη γη και τα μόρια του αέρα, μειώνοντας την πίεση των δυνάμεων μεταξύ των μορίων όταν πηγαίνετε σε υψηλότερα υψόμετρα.
Αυτό συμβαίνει επίσης επειδή τα μόρια έχουν μικρότερο βάρος, επειδή το μικρότερο βάρος λόγω της βαρύτητας σε υψηλότερα υψόμετρα. Αυτό εξηγεί γιατί ορισμένα τρόφιμα χρειάζονται περισσότερο χρόνο μαγειρέματος όταν βρίσκονται σε υψηλότερα υψόμετρα, καθώς η θερμότητα χρειάζεται περισσότερη θερμότητα ή υψηλότερη θερμοκρασία για να διεγείρει τα μόρια του αερίου μέσα σε αυτά.
Τα υψομετρικά όργανα των αεροσκαφών, όργανα που μετράνε το υψόμετρο, επωφελούνται από αυτό με τη μέτρηση της πίεσης και τη χρήση τους για την εκτίμηση του υψομέτρου, συνήθως σε επίπεδο μέσου όρου (MSL). Τα συστήματα παγκόσμιας θέσης (GPS) σας δίνουν μια ακριβέστερη απάντηση με τη μέτρηση της πραγματικής απόστασης πάνω από τη στάθμη της θάλασσας.
Μονάδες πυκνότητας
Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον τις μονάδες SI για πυκνότητα kg / m3. Άλλες χρήσεις μπορεί να ισχύουν περισσότερο με βάση την περίπτωση και τον σκοπό. Μικρότερες πυκνότητες όπως αυτές των ιχνοστοιχείων σε στερεά αντικείμενα, όπως είναι ο χάλυβας, γενικά μπορούν να εκφραστούν ευκολότερα χρησιμοποιώντας μονάδες g / cm3. Άλλες πιθανές μονάδες πυκνότητας περιλαμβάνουν kg / L και g / mL.
Λάβετε υπόψη ότι, κατά τη μετατροπή μεταξύ διαφορετικών μονάδων για πυκνότητα, θα πρέπει να υπολογίζετε τις τρεις διαστάσεις του όγκου ως εκθετικό παράγοντα εάν πρέπει να αλλάξετε τις μονάδες για την ένταση.
Για παράδειγμα, αν θέλετε να μετατρέψετε 5 kg / cm3 σε kg / m3, θα πολλαπλασιάσατε 5 με 1003, όχι μόνο 100, για να πάρει το αποτέλεσμα των 5 x 106 kg / m3.
Άλλες χρήσιμες μετατροπές περιλαμβάνουν 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 και 1 g / mL = 1000 kg / m3. Αυτές οι σχέσεις δείχνουν την ευελιξία των μονάδων πυκνότητας για την επιθυμητή κατάσταση.
Στις Ηνωμένες Πολιτείες τα συνηθισμένα πρότυπα μονάδων, μπορεί να είστε πιο συνηθισμένοι στη χρήση μονάδων όπως τα πόδια ή τις λίβρες αντί για μέτρα ή κιλά, αντίστοιχα. Σε αυτά τα σενάρια, μπορείτε να θυμηθείτε κάποιες χρήσιμες μετατροπές όπως 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 και 1 lb / yd3 ≈ 0,037 lb / ft3. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ≈ αναφέρεται σε μια προσέγγιση επειδή αυτοί οι αριθμοί για τη μετατροπή δεν είναι ακριβείς.
Αυτές οι μονάδες πυκνότητας μπορούν να σας δώσουν μια καλύτερη ιδέα για το πώς να μετρήσετε την πυκνότητα πιο αφηρημένων ή διαφορετικών εννοιών όπως η πυκνότητα ενέργειας των υλικών που χρησιμοποιούνται στις χημικές αντιδράσεις. Αυτό θα μπορούσε να είναι η ενεργειακή πυκνότητα των καυσίμων που χρησιμοποιούν τα αυτοκίνητα κατά την ανάφλεξη ή πόση πυρηνική ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί σε στοιχεία όπως το ουράνιο.
Η σύγκριση της πυκνότητας του αέρα με την πυκνότητα των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου γύρω από ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αντικείμενο, για παράδειγμα, μπορεί να σας δώσει μια καλύτερη ιδέα για τον τρόπο ενσωμάτωσης των ποσοτήτων σε διαφορετικούς όγκους.