Sisältö
Vaikka se voi tuntua mitenkään, ympärilläsi olevalla ilmalla on tiheys. Ilman tiheys voidaan mitata ja tutkia fysiikan ja kemian ominaisuuksien, kuten sen painon, massan tai tilavuuden suhteen. Tutkijat ja insinöörit käyttävät tätä tietoa luomalla laitteita ja tuotteita, jotka hyödyntävät ilmanpainetta, kun renkaat täytetään, materiaaleja imupumppujen avulla ja tyhjiötiivis tiiviste.
Ilman tiheyskaava
Yksinkertaisin ja selkein ilmatiheyskaava on yksinkertaisesti jakaa ilman massa sen tilavuudella. Tämä on standarditiheyden määritelmä ρ = m / V tiheydelle ρ ("rho") yleensä kg / m3, massa m kg ja tilavuus V m3. Esimerkiksi, jos sinulla oli 100 kg ilmaa, joka veti tilavuuden 1 m3, tiheys olisi 100 kg / m3.
Jotta saadaan parempi käsitys erityisesti ilman tiheydestä, sinun on otettava huomioon se, kuinka ilma tehdään erilaisista kaasuista muotoillessaan sen tiheyttä. Vakio lämpötilassa, paineessa ja tilavuudessa kuiva ilma on tyypillisesti 78% typpeä (N2), 21% happea (O2) ja yhden prosentin argon (ar).
Jotta voidaan ottaa huomioon näiden molekyylien vaikutukset ilmanpaineeseen, voit laskea ilman massan typpien summana, jotka sisältävät kaksi atomia, joissa on 14 atomiyksikköä, happeina kaksi atomia, joissa on 16 atomiyksikköä, ja argoneissa, yksi atomissa on 18 atomia, .
Jos ilma ei ole täysin kuiva, voit lisätä myös joitain vesimolekyylejä (H2O), jotka ovat kaksi atomiyksikköä kahdelle vetyatomille ja 16 atomiyksikköä yksittäiselle happiatomille. Jos lasket, kuinka paljon ilman massaa sinulla on, voit olettaa, että nämä kemialliset aineosat jakautuvat tasaisesti koko siihen, ja sitten laskea näiden kemiallisten komponenttien prosenttiosuus kuivassa ilmassa.
Voit laskea tiheyttä myös ominaispainolla, painon ja tilavuuden suhteella. Ominaispaino γ ("gamma") annetaan yhtälöllä y = (m * g) / V = ρ * g joka lisää ylimääräisen muuttujan g painovoimakiihtyvyyden vakiona 9,8 m / s2. Tässä tapauksessa massan ja painovoiman kiihtyvyyden tulo on kaasun paino ja tämä arvo jaetaan tilavuudella V voi kertoa sinulle kaasun ominaispainon.
Ilman tiheyslaskin
Online-ilmantiheyslaskimen, kuten Engineering Toolboxin, avulla voit laskea ilman tiheyden teoreettiset arvot tietyissä lämpötiloissa ja paineissa. Verkkosivustolla on myös ilmatiheystaulukko arvoista eri lämpötiloissa ja paineissa. Nämä kaaviot osoittavat kuinka tiheys ja ominaispaino vähenevät lämpötilan ja paineen korkeammissa arvoissa.
Voit tehdä tämän Avogadros-lain takia, jonka mukaan "yhtä suuret määrät kaikissa kaasuissa, samassa lämpötilassa ja paineessa, ovat saman määrän molekyylejä". Tästä syystä tutkijat ja insinöörit käyttävät tätä suhdetta lämpötilan, paineen tai tiheyden määrittämisessä, kun he tietävät muita tietoja tutkittavasta kaasumäärästä.
Näiden kuvaajien kaarevuus tarkoittaa, että näiden suureiden välillä on logaritminen suhde. Voit osoittaa, että tämä vastaa teoriaa järjestämällä ihanteellinen kaasulaki uudelleen: PV = mRT paineelle P, tilavuus V, kaasun massa m, kaasuvakio R (0,167226 J / kg K) ja lämpötila T saada ρ = P / RT, jossa ρ on tiheys yksikköinä m / V massa / tilavuus (kg / m3). Muista, että tämä versio ihanteellisesta kaasulaista käyttää R kaasuvakio massayksikköinä, ei moolina.
Ideaalikaasulain variaatio osoittaa, että lämpötilan noustessa tiheys kasvaa logaritmisesti, koska 1 / T on verrannollinen ρ. Tämä käänteinen suhde kuvaa ilmatiheysgraafien ja ilmantiheystaulukoiden kaarevuutta.
Ilman tiheys vs. korkeus
Kuiva ilma voi kuulua kahteen määritelmään. Se voi olla ilma, josta ei ole jäljellä vettä, tai se voi olla ilma, jolla on alhainen suhteellisuustekosteus, jota voidaan muuttaa korkeammilla korkeuksilla. Ilmatiheystaulukot, kuten esimerkiksi Omnicalculator-taulukko, osoittavat kuinka ilmantiheys muuttuu suhteessa korkeuteen. Omnicalculator -laitteessa on myös laskin ilmanpaineen määrittämiseksi tietyllä korkeudella.
Korkeuden kasvaessa ilmanpaine laskee ensisijaisesti ilman ja maan välisen painovoiman vetovoiman vuoksi. Tämä johtuu siitä, että maan ja ilman molekyylien välinen painovoima vetovoima vähenee vähentäen molekyylien välisten voimien painetta, kun siirryt korkeammalle korkeudelle.
Se tapahtuu myös siksi, että molekyyleillä on vähemmän painoa, koska pienempi paino johtuu painovoimasta korkeammissa korkeuksissa. Tämä selittää, miksi joidenkin elintarvikkeiden valmistus kestää kauemmin, kun ne ovat korkeammassa asemassa, koska ne tarvitsevat enemmän lämpöä tai korkeampaa lämpötilaa niiden sisältämien kaasumolekyylien virittämiseksi.
Ilma-aluksen korkeusmittarit, korkeuden mittausinstrumentit, hyödyntävät tätä hyödyksi mittaamalla paine ja käyttämällä sitä korkeuden arviointiin, yleensä keskimääräisen merenpinnan (MSL) perusteella. Globaalit paikannusjärjestelmät (GPS) antavat sinulle tarkemman vastauksen mittaamalla todellinen etäisyys merenpinnan yläpuolella.
Tiheyden yksiköt
Tutkijat ja insinöörit käyttävät enimmäkseen SI-yksiköitä tiheydelle kg / m3. Muut käyttötavat voivat olla soveltuvammat tapauksen ja tarkoituksen perusteella. Pienemmät tiheydet, kuten hivenaineiden tiiviys kiinteissä esineissä, kuten teräksessä, voidaan yleensä ilmaista helpommin yksiköillä g / cm3. Muita mahdollisia tiheysyksiköitä ovat kg / L ja g / ml.
Muista, että kun muunnat eri yksiköitä tiheyden suhteen, sinun on otettava huomioon tilavuuden kolme ulottuvuutta eksponentiaalisena tekijänä, jos haluat muuttaa tilavuusyksiköitä.
Esimerkiksi, jos haluat muuntaa 5 kg / cm3 kg / m3, kertoisit 5 luvulla 1003, ei vain 100, saadaksesi tuloksen 5 x 106 kg / m3.
Muut kätevät muunnokset sisältävät 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 ja 1 g / ml = 1000 kg / m3. Nämä suhteet osoittavat tiheysyksiköiden monipuolisuuden halutussa tilanteessa.
Yhdysvaltojen tavanomaisissa yksikköstandardeissa saatat olla tottunut käyttämään yksiköitä, kuten jalkaa tai kiloa, metrien tai kilogrammien sijasta. Näissä tilanteissa voit muistaa joitain hyödyllisiä tuloksia, kuten 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 ja 1 pauna / vuosi3 ≈ 0,037 lb / ft3. Näissä tapauksissa ≈ viittaa likiarvoon, koska nämä muunnoksen luvut eivät ole tarkkoja.
Nämä tiheysyksiköt voivat antaa sinulle paremman kuvan siitä, kuinka mitata abstraktimpia tai vivahteikkaampia käsitteitä, kuten kemiallisissa reaktioissa käytettyjen materiaalien energiatiheys. Tämä voi olla autojen sytytyksessä käyttämien polttoaineiden energiatiheys tai kuinka paljon ydinenergiaa voidaan varastoida esimerkiksi uraaniin.
Esimerkiksi ilman tiheyden vertaaminen sähkökentän linjojen tiheyteen sähköisesti varautuneen esineen ympärillä voi antaa sinulle paremman kuvan kuinka integroida määrät eri tilavuuksiin.