Sisu
Ehkki see võib tunduda midagi, on teie ümbritsev õhk tihedusega. Õhu tihedust saab mõõta ja uurida füüsika ja keemia omaduste, näiteks selle kaalu, massi või mahu osas. Teadlased ja insenerid kasutavad neid teadmisi selliste seadmete ja toodete loomisel, mis kasutavad õhurõhku rehvide täispuhumisel, materjalide pumpamisel vaakumpumpade abil ja vaakumikindlate tihendite loomisel.
Õhutiheduse valem
Kõige põhilisem ja arusaadavam õhutiheduse valem on õhu massi jagamine selle mahuga. See on tiheduse standardne määratlus kui ρ = m / V tiheduse jaoks ρ ("rho"), tavaliselt kg / m3, mass m kg ja maht V m3. Näiteks kui teil oli 100 kg õhku, mis võttis ruumala 1 m3, tihedus oleks 100 kg / m3.
Konkreetselt õhu tihedusest parema ettekujutuse saamiseks tuleb selle tiheduse sõnastamisel arvestada sellega, kuidas õhk koosneb erinevatest gaasidest. Püsiva temperatuuri, rõhu ja ruumala korral koosneb kuiv õhk tavaliselt 78% lämmastikust (N2), 21% hapnikku (O2) ja üks protsent argooni (Ar).
Et võtta arvesse nende molekulide mõju õhurõhule, saate arvutada õhu massi lämmastiku summana kahe aatomiga, millest igaühes on 14 aatomit, hapniku kahe aatomiga, millest igaüks koosneb aatomist, ja aatomite ühe aatomiga, mis koosneb 18 aatomühikust. .
Kui õhk pole täiesti kuiv, võite lisada ka mõned veemolekulid (H2O), mis on kahe vesinikuaatomi kaks aatomühikut ja ainsuse hapnikuaatomi 16 aatomühikut. Kui arvutate, kui palju õhumassi teil on, võite eeldada, et need keemilised koostisosad jagunevad selle vahel ühtlaselt, ja seejärel arvutada nende keemiliste komponentide protsent kuivas õhus.
Tiheduse arvutamisel võite kasutada ka erikaalu, massi ja mahu suhet. Erikaal γ ("gamma") saadakse võrrandi abil y = (m * g) / V = ρ * g mis lisab täiendava muutuja g gravitatsioonikiirenduse konstantsena 9,8 m / s2. Sel juhul on massi ja gravitatsioonikiirenduse korrutis gaasi mass, jagades selle väärtuse ruumalaga V võib öelda teile gaasi erikaalu.
Õhutiheduse kalkulaator
Veebipõhine õhutiheduse kalkulaator, näiteks Engineering Toolboxi abil, võimaldab teil arvutada õhutiheduse teoreetilised väärtused antud temperatuuridel ja rõhul. Veebisait pakub ka õhutiheduse tabelit erinevate temperatuuride ja rõhkude väärtuste kohta. Need graafikud näitavad, kuidas tihedus ja erikaal raskuse ja rõhu kõrgema väärtuse korral vähenevad.
Seda saate teha Avogadrosi seaduse tõttu, mis ütleb, et "kõigil gaasidel on võrdses mahus, samal temperatuuril ja rõhul, sama arv molekule." Sel põhjusel kasutavad teadlased ja insenerid seda seost temperatuuri, rõhu või tiheduse määramisel, kui nad teavad muud teavet uuritava gaasi mahu kohta.
Nende graafikute kõverus tähendab, et nende suuruste vahel on logaritmiline seos. Ideaalse gaasi seaduse ümberkorraldamise abil saate näidata, et see sobib teooriaga: PV = mRT surve jaoks Lk, maht V, gaasi mass m, gaasikonstant R (0,167226 J / kg K) ja temperatuur T saada ρ = P / RT milles ρ on tihedus ühikutes m / V mass / maht (kg / m3). Pidage meeles, et see ideaalse gaasi seaduse versioon kasutab: R gaasikonstant massiühikutes, mitte moolides.
Ideaalse gaasi seaduse muutumine näitab, et temperatuuri tõustes suureneb tihedus logaritmiliselt, kuna 1 / T on võrdeline ρ. See pöördvõrdeline seos kirjeldab õhutiheduse graafikute ja õhutiheduse tabelite kõverusi.
Õhutihedus vs kõrgus merepinnast
Kuiv õhk võib kuuluda ühte kahest määratlusest. See võib olla õhk, milles pole vett jälgi, või madala õhutemperatuuriga õhk, mida saab muuta kõrgemal. Õhutiheduse tabelid, nagu näiteks Omnicalculatoris, näitavad, kuidas õhutihedus kõrguse suhtes muutub. Omnikalkulaatoril on ka kalkulaator õhurõhu määramiseks antud kõrgusel.
Kõrguse tõustes väheneb õhurõhk peamiselt õhu ja maa vahelise gravitatsioonilise tõmbejõu tõttu. Selle põhjuseks on asjaolu, et maa ja õhu molekulide vaheline gravitatsiooniline külgetõmbejõud väheneb, vähendades molekulide vaheliste jõudude survet kõrgemale kõrgusele minnes.
See juhtub ka seetõttu, et molekulidel on vähem kaalu, kuna suurematel kõrgustel on gravitatsiooni tõttu väiksem kaal. See selgitab, miks mõne toidu valmistamine võtab kauem aega, kui see asub kõrgemal, kuna nad vajavad neis sisalduvate gaasimolekulide ergastamiseks rohkem soojust või kõrgemat temperatuuri.
Õhusõidukite kõrgusemõõtjad - kõrgusemõõtjad - kasutavad seda ära, mõõtes rõhku ja kasutades seda kõrguse määramiseks, tavaliselt keskmise merepinna (MSL) järgi. Globaalsed positsioonisüsteemid (GPS) annavad täpsema vastuse, mõõtes tegelikku kaugust merepinnast.
Tiheduse ühikud
Teadlased ja insenerid kasutavad enamasti SI ühikuid tiheduse kg / m kohta3. Muud kasutusalad võivad juhtumi ja eesmärgi põhjal olla rakendatavamad. Väiksemaid tihedusi, näiteks mikroelementide tihedust tahketes esemetes nagu teras, saab üldjuhul hõlpsamini väljendada ühikutes g / cm3. Muud võimalikud tiheduse ühikud hõlmavad kg / L ja g / ml.
Pidage meeles, et erinevate mõõtühikute vahelise tiheduse teisendamisel peate eksponentsiaalse tegurina arvestama helitugevuse kolme mõõtmega, kui peate helitugevuse ühikuid muutma.
Näiteks kui soovite teisendada 5 kg / cm3 kuni kg / m3, korrutate 5 100-ga3, mitte ainult 100, et saada tulemus 5 x 106 kg / m3.
Muud käepärased konversioonid sisaldavad 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 ja 1 g / ml = 1000 kg / m3. Need seosed näitavad tihedusühikute mitmekülgsust soovitud olukorras.
Ameerika Ühendriikide tavapärastes ühikute standardites võite olla rohkem harjunud kasutama ühikuid nagu jalad või naela, mitte meetrit või kilogrammi. Nendes stsenaariumides võite meelde jätta mõned kasulikud konversioonid, näiteks 1 oz / in3 = 108 naela / jalga3, 1 nael / gal ≈ 7,48 naela / jalga3 ja 1 nael / jaa3 ≈ 0,037 naela / jalga3. Nendel juhtudel viitab ≈ ligikaudsele väärtusele, kuna need teisendamise arvud pole täpsed.
Need tiheduse ühikud annavad teile parema ülevaate abstraktsemate või nüansseeritud mõistete, näiteks keemilistes reaktsioonides kasutatavate materjalide energiatiheduse mõõtmiseks. See võib olla autode süütamisel kasutatavate kütuste energiatihedus või see, kui palju tuumaenergiat saab salvestada sellistesse elementidesse nagu uraan.
Õhutiheduse ja elektrivälja joonte tiheduse võrdlemine näiteks elektriliselt laetud objekti ümber võib anda teile parema ettekujutuse, kuidas integreerida koguseid erinevate mahtude vahel.