Vsebina
- Formula gostote zraka
- Kalkulator gostote zraka
- Gostota zraka v primerjavi z nadmorsko višino
- Enote gostote
Čeprav se morda zdi nič, ima zrak okoli vas gostoto. Gostoto zraka lahko merimo in preučujemo glede lastnosti fizike in kemije, kot so njena teža, masa ali prostornina. Znanstveniki in inženirji to znanje uporabljajo pri ustvarjanju opreme in izdelkov, ki izkoriščajo zračni tlak pri napihovanju pnevmatik, s pomočjo sesalnih črpalk in ustvarjanju tesnilnih tesnil.
Formula gostote zraka
Najbolj osnovna in neposredna formula gostote zraka je preprosto delitev mase zraka na njeno prostornino. To je standardna opredelitev gostote kot ρ = m / V za gostoto ρ ("rho") na splošno v kg / m3, masa m v kg in prostornini V v m3. Na primer, če bi imeli 100 kg zraka, ki je zavzel prostornino 1 m3, gostota bi bila 100 kg / m3.
Če želite bolje razumeti gostoto zraka, morate upoštevati, kako je zrak sestavljen iz različnih plinov pri oblikovanju njegove gostote. Pri stalni temperaturi, tlaku in prostornini je suhi zrak običajno izdelan iz 78% dušika (N2), 21% kisika (O2) in en odstoten argon (Ar).
Če želite upoštevati učinek, ki ga imajo te molekule na zračni tlak, lahko izračunate maso zraka kot vsoto dušikov, dveh atomov 14 atomskih enot, kisikov dva atoma po 16 atomskih enot in argonov en atom 18 atomskih enot .
Če zrak ni popolnoma suh, lahko dodate tudi nekaj molekul vode (H2O), ki sta dve atomski enoti za oba vodikova atoma in 16 atomskih enot za edini atom kisika. Če izračunate, koliko mase zraka imate, lahko domnevate, da se te kemične sestavine porazdelijo po njej enakomerno in nato izračunate odstotek teh kemijskih sestavin v suhem zraku.
Pri izračunu gostote lahko uporabite tudi specifično maso, razmerje med maso in prostornino. Specifična teža γ ("gama") je podana z enačbo γ = (m * g) / V = ρ * g ki doda dodatno spremenljivko g kot konstanta gravitacijskega pospeška 9,8 m / s2. V tem primeru je produkt mase in gravitacijskega pospeška teža plina in to vrednost delimo s prostornino V vam lahko pove specifično težo.
Kalkulator gostote zraka
Spletni kalkulator gostote zraka, kot je tisti, ki ga ponuja Engineering Toolbox, vam omogoča izračunavanje teoretičnih vrednosti gostote zraka pri danih temperaturah in tlakih. Spletno mesto ponuja tudi tabelo vrednosti gostote zraka pri različnih temperaturah in tlakih. Ti grafi prikazujejo, kako se gostota in specifična teža zmanjšujeta pri višjih vrednostih temperature in tlaka.
To lahko storite zaradi zakona Avogadrosa, ki pravi, da "imajo enake količine vseh plinov, pri isti temperaturi in tlaku enako število molekul." Zaradi tega znanstveniki in inženirji to razmerje uporabljajo pri določanju temperature, tlaka ali gostote, ko poznajo druge podatke o količini plina, ki ga preučujejo.
Zakrivljenost teh grafov pomeni, da obstaja logaritmično razmerje med temi količinami. Pokažete, da se to ujema s teorijo s ponovnim urejanjem zakona o idealnem plinu: PV = mRT za pritisk P, prostornina V, masa plina m, plinska konstanta R (0,167226 J / kg K) in temperatura T dobiti ρ = P / RT, v katerem ρ je gostota v enotah m / V masa / prostornina (kg / m)3). Upoštevajte, da ta različica zakona o idealnem plinu uporablja R plinska konstanta v enotah mase, ne molov.
Sprememba zakona o idealnem plinu kaže, da se s povečanjem temperature gostota logaritmično poveča 1 / T je sorazmerna z ρ. Ta obratna povezava opisuje ukrivljenost grafov gostote zraka in tabel gostote zraka.
Gostota zraka v primerjavi z nadmorsko višino
Suh zrak lahko spada pod eno od dveh opredelitev. Lahko je zrak brez sledu vode v njem ali pa je to zrak z nizko relativno vlažnostjo, ki se lahko spreminja na večjih nadmorskih višinah. Tabele gostote zraka, kot je tista na Omnicalculatorju, prikazujejo, kako se gostota zraka spreminja glede na nadmorsko višino. Omnikovculator ima tudi kalkulator za določanje zračnega tlaka na določeni nadmorski višini.
Z višanjem nadmorske višine se zračni tlak znižuje predvsem zaradi gravitacijske privlačnosti zraka in zemlje. To je zato, ker se gravitacijska privlačnost med zemljo in molekulami zraka zmanjšuje, kar zmanjšuje pritisk sil med molekulami, ko grete na višje.
Zgodi se tudi zato, ker imajo same molekule manjšo težo, ker manjšo težo zaradi gravitacije na večjih nadmorskih višinah. To pojasnjuje, zakaj nekatera živila kuhajo dlje časa, ko na večjih nadmorskih višinah potrebujejo več toplote ali višjo temperaturo, da vzbudijo molekule plina v njih.
Višinomeri za zrakoplove, instrumenti, ki merijo višino, to izkoristijo z merjenjem tlaka in s pomočjo tega za oceno nadmorske višine, običajno glede na srednjo gladino morja (MSL). Globalni položajni sistemi (GPS) vam nudijo natančnejši odgovor z merjenjem dejanske razdalje nad morsko gladino.
Enote gostote
Znanstveniki in inženirji večinoma uporabljajo enote SI za gostoto kg / m3. Druge uporabe so morda bolj uporabne glede na primer in namen. Manjše gostote, kot so denimo elementi v sledovih, v trdnih predmetih, kot je jeklo, je na splošno mogoče izraziti lažje z uporabo enot g / cm3. Druge možne enote gostote vključujejo kg / L in g / ml.
Upoštevajte, da morate pri pretvorbi med različnimi enotami za gostoto upoštevati tri dimenzije prostornine kot eksponentni faktor, če morate spremeniti enote za prostornino.
Na primer, če želite pretvoriti 5 kg / cm3 do kg / m3, bi pomnožili 5 s 1003, ne samo 100, da dobimo rezultat 5 x 106 kg / m3.
Druge priročne pretvorbe vključujejo 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 in 1 g / ml = 1000 kg / m3. Ti odnosi kažejo vsestranskost enot gostote za želeno situacijo.
V običajnih standardnih enotah Združenih držav Amerike boste morda bolj navajeni, da namesto metrov ali kilogramov uporabljate enote, kot so stopala ali kilogrami. V teh scenarijih se lahko spomnite nekaterih koristnih pretvorb, na primer 1 oz3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 in 1 funt na uro3 ≈ 0,037 lb / ft3. V teh primerih se ≈ nanaša na približek, ker te številke za pretvorbo niso natančne.
Te enote gostote vam lahko dajo boljšo predstavo, kako izmeriti gostoto bolj abstraktnih ali niansiranih pojmov, kot je energijska gostota materialov, ki se uporabljajo v kemijskih reakcijah. To bi lahko bila energijska gostota goriv, ki jih avtomobili uporabljajo pri vžigu ali koliko jedrske energije je mogoče shraniti v elementih, kot je uran.
Primer, primerjava gostote zraka z gostoto električnih poljskih vod okoli električno naelektrenega predmeta, vam omogoča boljšo predstavo o tem, kako integrirati količine v različne količine.