เนื้อหา
- สูตรความหนาแน่นของอากาศ
- เครื่องคำนวณความหนาแน่นของอากาศ
- ความหนาแน่นของอากาศเทียบกับระดับความสูง
- หน่วยของความหนาแน่น
แม้ว่ามันอาจดูเหมือนไม่มีอะไร แต่อากาศรอบตัวคุณมีความหนาแน่น ความหนาแน่นของอากาศสามารถวัดและศึกษาคุณสมบัติทางฟิสิกส์และเคมีเช่นน้ำหนักมวลหรือปริมาตร นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรใช้ความรู้นี้ในการสร้างอุปกรณ์และผลิตภัณฑ์ที่ใช้ประโยชน์จากความดันอากาศเมื่อยางพองตัวไอเอ็นจีวัสดุผ่านปั๊มดูดและสร้างซีลผนึกสูญญากาศ
สูตรความหนาแน่นของอากาศ
สูตรความหนาแน่นของอากาศขั้นพื้นฐานและตรงไปตรงมาที่สุดคือการหารมวลของอากาศด้วยปริมาตร นี่คือนิยามความหนาแน่นมาตรฐาน ρ = m / V สำหรับความหนาแน่น ρ ("rho") โดยทั่วไปเป็นกิโลกรัม / เมตร3มวล ม. ในกิโลกรัมและปริมาณ V ในม3. ตัวอย่างเช่นหากคุณมีอากาศ 100 กิโลกรัมซึ่งมีปริมาณ 1 เมตร3ความหนาแน่นจะอยู่ที่ 100 kg / m3.
เพื่อให้ได้แนวคิดที่ดีขึ้นเกี่ยวกับความหนาแน่นของอากาศโดยเฉพาะคุณต้องพิจารณาว่าอากาศทำมาจากก๊าซที่แตกต่างกันอย่างไรเมื่อกำหนดความหนาแน่น ที่อุณหภูมิคงที่ความดันและปริมาตรอากาศแห้งมักทำจากไนโตรเจน 78% (ยังไม่มีข้อความ2) ออกซิเจน 21% (O2) และอาร์กอนร้อยละหนึ่ง (Ar).
เมื่อต้องการคำนึงถึงผลกระทบที่โมเลกุลเหล่านี้มีต่อความดันอากาศคุณสามารถคำนวณมวลของอากาศเป็นผลรวมของไนโตรเจนสองอะตอม 14 อะตอมต่อหน่วยแต่ละอะตอม oxygens สองอะตอม 16 อะตอมแต่ละอะตอมอาร์กอนอะตอมเดี่ยว 18 หน่วย .
หากอากาศไม่แห้งสนิทคุณสามารถเพิ่มโมเลกุลของน้ำได้H2O) ซึ่งเป็นหน่วยอะตอมสองหน่วยสำหรับอะตอมไฮโดรเจนสองหน่วยและหน่วยอะตอม 16 หน่วยสำหรับอะตอมออกซิเจนเอกพจน์ หากคุณคำนวณปริมาณอากาศที่คุณมีคุณสามารถสันนิษฐานได้ว่าองค์ประกอบทางเคมีเหล่านี้กระจายไปทั่วอย่างสม่ำเสมอและคำนวณเปอร์เซ็นต์ของส่วนประกอบทางเคมีเหล่านี้ในอากาศแห้ง
คุณสามารถใช้น้ำหนักเฉพาะอัตราส่วนของน้ำหนักต่อปริมาตรในการคำนวณความหนาแน่น น้ำหนักที่เฉพาะเจาะจง γ ("แกมมา") ได้รับจากสมการ γ = (m * g) / V = ρ * g ที่เพิ่มตัวแปรเพิ่มเติม ก. เป็นค่าคงตัวของความเร่งโน้มถ่วง 9.8 m / s2. ในกรณีนี้ผลคูณของมวลและความเร่งโน้มถ่วงคือน้ำหนักของก๊าซและหารค่านี้ด้วยปริมาตร V สามารถบอกน้ำหนักเฉพาะแก๊สได้
เครื่องคำนวณความหนาแน่นของอากาศ
เครื่องคำนวณความหนาแน่นของอากาศออนไลน์เช่นหนึ่งโดย Engineering Toolbox ให้คุณคำนวณค่าทางทฤษฎีสำหรับความหนาแน่นของอากาศที่อุณหภูมิและความดันที่กำหนด เว็บไซต์ยังมีตารางค่าความหนาแน่นของอากาศที่อุณหภูมิและแรงกดดันที่แตกต่างกัน กราฟเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นและน้ำหนักที่เฉพาะเจาะจงนั้นลดลงอย่างไรที่อุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้น
คุณสามารถทำได้เนื่องจากกฎหมาย Avogadros ซึ่งระบุว่า "ปริมาตรเท่ากันของก๊าซทั้งหมดที่อุณหภูมิและความดันเท่ากันมีโมเลกุลจำนวนเท่ากัน" ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจึงใช้ความสัมพันธ์นี้ในการกำหนดอุณหภูมิความดันหรือความหนาแน่นเมื่อพวกเขารู้ข้อมูลอื่น ๆ เกี่ยวกับปริมาณของก๊าซที่กำลังศึกษาอยู่
ความโค้งของกราฟเหล่านี้หมายความว่ามีความสัมพันธ์แบบลอการิทึมระหว่างปริมาณเหล่านี้ คุณสามารถแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้ตรงกับทฤษฎีโดยการจัดเรียงกฎก๊าซอุดมคติ: PV = mRT สำหรับความดัน Pระดับเสียง Vมวลของก๊าซ ม.ก๊าซคงที่ R (0.167226 J / kg K) และอุณหภูมิ T ที่จะได้รับ ρ = P / RT ที่ใด ρ คือความหนาแน่นในหน่วยของ M / V มวล / ปริมาตร (กก. / ม.)3) โปรดจำไว้ว่ากฎหมายแก๊สในอุดมคติรุ่นนี้ใช้ R ค่าคงที่ก๊าซในหน่วยของมวลไม่ใช่โมล
การแปรผันของกฎก๊าซอุดมคตินั้นแสดงให้เห็นว่าเมื่อความหนาแน่นของอุณหภูมิเพิ่มขึ้นความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นเนื่องจาก 1 / T เป็นสัดส่วนกับ ρ. ความสัมพันธ์แบบผกผันนี้อธิบายถึงความโค้งของกราฟความหนาแน่นของอากาศและตารางความหนาแน่นของอากาศ
ความหนาแน่นของอากาศเทียบกับระดับความสูง
อากาศแห้งอาจอยู่ภายใต้คำจำกัดความอย่างใดอย่างหนึ่ง มันสามารถเป็นอากาศได้โดยไม่มีร่องรอยของน้ำใด ๆ หรือเป็นอากาศที่มีความชื้นสัมพัทธภาพต่ำซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น ตารางความหนาแน่นของอากาศเช่นหนึ่งใน Omnicalculator แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของอากาศเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเทียบกับระดับความสูง Omnicalculator ยังมีเครื่องคิดเลขเพื่อกำหนดความดันอากาศที่ระดับความสูงที่กำหนด
เมื่อความสูงเพิ่มขึ้นความดันอากาศก็ลดลงเป็นหลักเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างอากาศและโลก นี่เป็นเพราะแรงดึงดูดระหว่างโลกกับโมเลกุลของอากาศลดลงลดแรงกดดันของแรงระหว่างโมเลกุลเมื่อคุณไปที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น
นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นเนื่องจากโมเลกุลมีน้ำหนักน้อยลงเพราะน้ำหนักน้อยลงเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมอาหารบางประเภทใช้เวลาปรุงนานขึ้นเมื่ออยู่ในระดับสูงเนื่องจากต้องการความร้อนมากขึ้นหรืออุณหภูมิสูงขึ้นเพื่อกระตุ้นโมเลกุลก๊าซภายใน
เครื่องมือวัดความสูงของเครื่องบินใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้โดยการวัดความดันและใช้ในการประมาณความสูงโดยปกติจะอยู่ในรูปของค่าเฉลี่ยระดับน้ำทะเล (MSL) ระบบตำแหน่งทั่วโลก (GPS) ให้คำตอบที่แม่นยำยิ่งขึ้นโดยการวัดระยะทางจริงเหนือระดับน้ำทะเล
หน่วยของความหนาแน่น
นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรส่วนใหญ่ใช้หน่วย SI สำหรับความหนาแน่นของกิโลกรัม / เมตร3. การใช้งานอื่น ๆ อาจมีผลบังคับใช้เพิ่มเติมตามกรณีและวัตถุประสงค์ ความหนาแน่นที่น้อยกว่าเช่นธาตุในวัตถุของแข็งเช่นเหล็กสามารถแสดงได้ง่ายขึ้นโดยใช้หน่วยกรัม / ซม3. หน่วยความหนาแน่นที่เป็นไปได้อื่น ๆ ได้แก่ kg / L และ g / mL
โปรดทราบว่าเมื่อทำการแปลงระหว่างหน่วยต่าง ๆ เพื่อความหนาแน่นคุณจะต้องคำนึงถึงสามมิติของปริมาณเป็นปัจจัยอธิบายหากคุณต้องการเปลี่ยนหน่วยสำหรับปริมาณ
ตัวอย่างเช่นหากคุณต้องการแปลง 5 กก. / ซม3 ถึง kg / m3คุณจะคูณ 5 ด้วย 1003ไม่ใช่แค่ 100 เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ 5 x 106 กิโลกรัม / เมตร3.
การแปลงที่มีประโยชน์อื่น ๆ ได้แก่ 1 กรัม / ซม3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1,000 kg / m3 และ 1 g / mL = 1,000 kg / m3. ความสัมพันธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเก่งกาจของหน่วยความหนาแน่นสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการ
ในมาตรฐานจารีตประเพณีของสหรัฐอเมริกาคุณอาจคุ้นเคยกับการใช้หน่วยเช่นฟุตหรือปอนด์แทนที่จะเป็นเมตรหรือกิโลกรัมตามลำดับ ในสถานการณ์เหล่านี้คุณสามารถจดจำการแปลงที่มีประโยชน์เช่น 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7.48 lb / ft3 และ 1 lb / yd3 ≈ 0.037 lb / ft3. ในกรณีเหล่านี้≈หมายถึงการประมาณค่าเนื่องจากตัวเลขเหล่านี้สำหรับการแปลงไม่ถูกต้อง
หน่วยความหนาแน่นเหล่านี้ช่วยให้คุณมีความคิดที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีการวัดความหนาแน่นของแนวคิดที่เป็นนามธรรมหรือแนวคิดที่เหมาะสมยิ่งขึ้นเช่นความหนาแน่นพลังงานของวัสดุที่ใช้ในปฏิกิริยาเคมี นี่อาจเป็นความหนาแน่นพลังงานของรถยนต์เชื้อเพลิงที่ใช้ในการจุดระเบิดหรือเก็บพลังงานนิวเคลียร์ไว้ในองค์ประกอบอย่างยูเรเนียม
ยกตัวอย่างเช่นการเปรียบเทียบความหนาแน่นของอากาศกับความหนาแน่นของเส้นสนามไฟฟ้ารอบวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าสามารถช่วยให้คุณมีความคิดที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีรวมปริมาณในปริมาตรต่าง ๆ