Indhold
Selvom det kan virke som intet, har luften omkring dig en densitet. Lufttætheden kan måles og undersøges for funktioner i fysik og kemi såsom dens vægt, masse eller volumen. Forskere og ingeniører bruger denne viden til at skabe udstyr og produkter, der drager fordel af lufttrykket, når de dækker op, indfører materialer gennem sugepumper og skaber vakuumtætte tætninger.
Luftdensitetsformel
Den mest basale og ligetil formel for lufttæthed er simpelthen at dele luftmassen med dens volumen. Dette er standarddefinitionen af densitet som ρ = m / V for densitet ρ ("rho") generelt i kg / m3, masse m i kg og volumen V i m3. For eksempel, hvis du havde 100 kg luft, der tog et volumen på 1 m3, ville densiteten være 100 kg / m3.
For at få en bedre idé af lufttætheden specifikt, skal du redegøre for, hvordan luft er lavet af forskellige gasser, når dens densitet formuleres. Ved en konstant temperatur, tryk og volumen er tør luft typisk lavet af 78% nitrogen (N221% ilt (O2) og en procent argon (Ar).
For at tage højde for den virkning, som disse molekyler har på lufttrykket, kan du beregne luftmassen som summen af nitrogenatomer to atomer på 14 atomenheder hver, oxygener to atomer på 16 atomenheder hver og argoner et enkelt atom på 18 atomenheder .
Hvis luften ikke er helt tør, kan du også tilføje nogle vandmolekyler (H2O) som er to atomenheder for de to hydrogenatomer og 16 atomenheder for det entulære iltatom. Hvis du beregner, hvor meget luftmasse du har, kan du antage, at disse kemiske bestanddele er fordelt ensartet over den, og derefter beregner procentdelen af disse kemiske komponenter i tør luft.
Du kan også bruge den specifikke vægt, forholdet mellem vægt og volumen til beregning af densitet. Den specifikke vægt γ ("gamma") er givet af ligningen y = (m * g) / V = ρ * g der tilføjer en yderligere variabel g som konstanten af gravitationsaccelerationen 9,8 m / s2. I dette tilfælde er produktet af masse og tyngdeacceleration vægten af gassen, og dividerer denne værdi med volumen V kan fortælle dig gassens specifikke vægt.
Luftdensitetsberegner
En online lufttæthedsberegner som den fra Engineering Toolbox giver dig mulighed for at beregne teoretiske værdier for lufttæthed ved givne temperaturer og tryk. Webstedet indeholder også en lufttæthedstabel over værdier ved forskellige temperaturer og tryk. Disse grafer viser, hvordan densitet og specifik vægt falder ved højere temperaturer og tryk.
Du kan gøre dette på grund af Avogadros-loven, der siger, "lige store mængder af alle gasser, ved samme temperatur og tryk, har det samme antal molekyler." Af denne grund bruger forskere og ingeniører dette forhold til at bestemme temperatur, tryk eller tæthed, når de kender andre oplysninger om et volumen af gas, de studerer.
Krumningen af disse grafer betyder, at der er et logaritmisk forhold mellem disse mængder. Du kan vise, at dette stemmer overens med teorien ved at arrangere den ideelle gaslov: PV = mRT for pres P, volumen V, masse af gassen m, gas konstant R (0.167226 J / kg K) og temperatur T at få ρ = P / RT hvori ρ er densitet i enheder på m / V masse / volumen (kg / m3). Husk, at denne version af den ideelle gaslov anvender R gas konstant i masseenheder, ikke mol.
Variationen af den ideelle gaslov viser, at når temperaturen stiger, øges densiteten logaritmisk fordi 1 / T er proportional med ρ. Dette inverse forhold beskriver krumningen af lufttæthedsgraferne og lufttæthedstabellerne.
Luftdensitet vs. højde
Tør luft kan falde ind under en af to definitioner. Det kan være luft uden spor af vand i det, eller det kan være luft med lav relativitetsfugtighed, som kan ændres i større højder. Luftdensitetstabeller som dem på Omnicalculator viser, hvordan lufttætheden ændres med hensyn til højden. Omnicalculator har også en lommeregner til at bestemme lufttrykket i en given højde.
Når højden stiger, falder lufttrykket primært på grund af den tyngdekraftsattraktion mellem luft og jorden. Dette skyldes, at gravitationsattraktionen mellem jorden og luftmolekylerne mindskes, hvilket mindsker trykket fra kræfterne mellem molekylerne, når du går til højere højder.
Det sker også, fordi molekylerne selv har mindre vægt, fordi mindre vægt på grund af tyngdekraften i højere højder. Dette forklarer, hvorfor nogle fødevarer tager længere tid at tilberede, når de er i højere højder, da de har brug for mere varme eller en højere temperatur for at begejstre gasmolekylerne i dem.
Flyhøjdemetre, instrumenter, der måler højde, drager fordel af dette ved at måle tryk og bruge det til at estimere højden, normalt med hensyn til middelhavet (MSL). GPS med globale positioner giver dig et mere præcist svar ved at måle den faktiske afstand over havets overflade.
Enheder af tæthed
Forskere og ingeniører bruger for det meste SI-enhederne til densitet på kg / m3. Andre anvendelser kan være mere anvendelige baseret på sagen og formålet. Mindre massefylde, såsom sporstoffer i faste genstande som stål, kan generelt udtrykkes lettere ved hjælp af enheder på g / cm3. Andre mulige enheder af densitet inkluderer kg / l og g / ml.
Husk, at når du konverterer mellem forskellige enheder til densitet, skal du redegøre for de tre volumendimensioner som en eksponentiel faktor, hvis du har brug for at ændre enhederne for lydstyrke.
Hvis du f.eks. Ville konvertere 5 kg / cm3 til kg / m3, ville du multiplicere 5 med 1003, ikke kun 100, for at få resultatet af 5 x 106 kg / m3.
Andre praktiske konverteringer inkluderer 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 og 1 g / ml = 1000 kg / m3. Disse forhold viser alsidigheden af densitetsenheder for den ønskede situation.
I de almindelige standarder for enheder i USA er du måske mere vant til at bruge enheder som fod eller pund i stedet for henholdsvis meter eller kilogram. I disse scenarier kan du huske nogle nyttige konverteringer som 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 og 1 lb / yd3 ≈ 0,037 lb / ft3. I disse tilfælde henviser ≈ til en tilnærmelse, fordi disse tal for konvertering ikke er nøjagtige.
Disse tæthedsenheder kan give dig en bedre idé om, hvordan du måler densitet for mere abstrakte eller nuancerede koncepter, såsom energitætheden for materialer, der bruges i kemiske reaktioner. Dette kan være energitætheden for brændstoffer, som biler bruger i antændelse, eller hvor meget kerneenergi, der kan opbevares i elementer som uran.
Sammenligning af luftdensitet og densitet af elektriske feltlinjer omkring et elektrisk ladet objekt kan for eksempel give dig en bedre idé om, hvordan du integrerer mængder i forskellige volumener.