Inhoud
Hoewel het misschien niets lijkt, heeft de lucht om je heen een dichtheid. De dichtheid van lucht kan worden gemeten en bestudeerd voor kenmerken van fysica en chemie zoals het gewicht, de massa of het volume. Wetenschappers en ingenieurs gebruiken deze kennis bij het maken van apparatuur en producten die profiteren van de luchtdruk bij het oppompen van banden, het invoeren van materialen door middel van zuigpompen en het creëren van vacuümdichte afdichtingen.
Luchtdichtheid formule
De meest eenvoudige en ongecompliceerde luchtdichtheidsformule deelt eenvoudig de massa lucht door zijn volume. Dit is de standaarddefinitie van dichtheid als ρ = m / V voor dichtheid ρ ("rho") in het algemeen in kg / m3massa m in kg en volume V in M3. Als u bijvoorbeeld 100 kg lucht had die een volume van 1 m in beslag nam3de dichtheid zou 100 kg / m zijn3.
Om specifiek een beter beeld te krijgen van de dichtheid van lucht, moet u rekening houden met hoe lucht uit verschillende gassen bestaat bij het formuleren van de dichtheid. Bij een constante temperatuur, druk en volume bestaat droge lucht meestal uit 78% stikstof (N2), 21% zuurstof (O2) en één procent argon (Ar).
Om rekening te houden met het effect dat deze moleculen hebben op de luchtdruk, kun je de massa van lucht berekenen als de som van stikstofatomen twee atomen van 14 atoomeenheden elk, zuurstof twee atomen van 16 atoomeenheden elk en argons enkel atoom van 18 atoomeenheden .
Als de lucht niet helemaal droog is, kun je ook wat watermoleculen toevoegen (H2O) die twee atomaire eenheden zijn voor de twee waterstofatomen en 16 atomaire eenheden voor het enkelvoudige zuurstofatoom. Als u berekent hoeveel luchtmassa u heeft, kunt u ervan uitgaan dat deze chemische bestanddelen gelijkmatig over het geheel zijn verdeeld en berekent u vervolgens het percentage van deze chemische componenten in droge lucht.
U kunt ook het specifieke gewicht gebruiken, de verhouding van het gewicht tot het volume bij het berekenen van de dichtheid. Het soortelijk gewicht γ ("gamma") wordt gegeven door de vergelijking γ = (m * g) / V = ρ * g dat voegt een extra variabele toe g als de constante van de zwaartekrachtversnelling 9,8 m / s2. In dit geval is het product van massa en zwaartekrachtversnelling het gewicht van het gas en deze waarde gedeeld door het volume V kan u het gasspecifieke gewicht vertellen.
Luchtdichtheid Calculator
Met een online luchtdichtheidscalculator zoals die van Engineering Toolbox kunt u theoretische waarden voor luchtdichtheid bij gegeven temperaturen en drukken berekenen. De website biedt ook een luchtdichtheidstabel met waarden bij verschillende temperaturen en drukken. Deze grafieken laten zien hoe dichtheid en soortelijk gewicht afnemen bij hogere waarden van temperatuur en druk.
U kunt dit doen vanwege de wet van Avogadros, waarin staat: "gelijke volumes van alle gassen, bij dezelfde temperatuur en druk, hebben hetzelfde aantal moleculen." Om deze reden gebruiken wetenschappers en ingenieurs deze relatie bij het bepalen van temperatuur, druk of dichtheid wanneer ze andere informatie kennen over een hoeveelheid gas die ze bestuderen.
De kromming van deze grafieken betekent dat er een logaritmische relatie is tussen deze hoeveelheden. Je kunt aantonen dat dit overeenkomt met de theorie door de ideale gaswet te herschikken: PV = mRT voor druk P, volume V, massa van het gas m, gasconstante R (0.167226 J / kg K) en temperatuur T krijgen ρ = P / RT waarin ρ is dichtheid in eenheden van m / V massa / volume (kg / m3). Houd er rekening mee dat deze versie van de ideale gaswet de R gasconstante in massa-eenheden, niet in mollen.
De variatie van de ideale gaswet laat zien dat, naarmate de temperatuur toeneemt, de dichtheid logaritmisch toeneemt omdat 1 / T Is evenredig met ρ. Deze omgekeerde relatie beschrijft de kromming van de luchtdichtheidsgrafieken en luchtdichtheidstabellen.
Luchtdichtheid versus hoogte
Droge lucht kan onder een van twee definities vallen. Het kan lucht zijn zonder enig spoor van water of het kan lucht zijn met een lage relativiteitsvochtigheid, die op grotere hoogtes kan worden gewijzigd. Luchtdichtheidstabellen zoals die op Omnicalculator laten zien hoe luchtdichtheid verandert ten opzichte van de hoogte. Omnicalculator heeft ook een rekenmachine om de luchtdruk op een bepaalde hoogte te bepalen.
Naarmate de hoogte toeneemt, neemt de luchtdruk voornamelijk af als gevolg van de zwaartekracht tussen lucht en de aarde. Dit komt omdat de aantrekkingskracht tussen de aarde en de luchtmoleculen afneemt, waardoor de druk van de krachten tussen de moleculen afneemt wanneer je naar grotere hoogten gaat.
Het gebeurt ook omdat de moleculen zelf minder wegen omdat minder gewicht door zwaartekracht op grotere hoogten. Dit verklaart waarom sommige voedingsmiddelen meer tijd nodig hebben om te koken op grotere hoogten, omdat ze meer warmte of een hogere temperatuur nodig hebben om de gasmoleculen erin te exciteren.
Hoogtemeters van vliegtuigen, instrumenten die de hoogte meten, profiteren hiervan door de druk te meten en die te gebruiken om de hoogte te schatten, meestal in termen van gemiddelde-zeespiegel (MSL). Global positioning systems (GPS) geeft u een nauwkeuriger antwoord door de werkelijke afstand boven zeeniveau te meten.
Eenheden van dichtheid
Wetenschappers en ingenieurs gebruiken de SI-eenheden meestal voor de dichtheid van kg / m3. Ander gebruik kan meer van toepassing zijn op basis van de zaak en het doel. Kleinere dichtheden zoals die van sporenelementen in vaste objecten zoals staal kunnen in het algemeen gemakkelijker worden uitgedrukt met behulp van eenheden van g / cm3. Andere mogelijke eenheden van dichtheid omvatten kg / L en g / ml.
Houd er rekening mee dat u bij het converteren tussen verschillende eenheden voor dichtheid rekening moet houden met de drie dimensies van volume als een exponentiële factor als u de eenheden voor volume moet wijzigen.
Als u bijvoorbeeld 5 kg / cm wilt omrekenen3 tot kg / m3, vermenigvuldig je 5 met 1003, niet alleen 100, om het resultaat van 5 x 10 te krijgen6 kg / m3.
Andere handige conversies zijn 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 en 1 g / ml = 1000 kg / m3. Deze relaties tonen de veelzijdigheid van dichtheidseenheden voor de gewenste situatie.
In de gebruikelijke normen voor eenheden van de Verenigde Staten, bent u misschien meer gewend om eenheden zoals voeten of ponden te gebruiken in plaats van respectievelijk meters of kilo's. In deze scenario's kunt u enkele nuttige conversies onthouden, zoals 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7.48 lb / ft3 en 1 lb / yd3 ≈ 0,037 lb / ft3. In deze gevallen verwijst ≈ naar een benadering omdat deze conversiecijfers niet exact zijn.
Deze eenheden van dichtheid kunnen u een beter idee geven van hoe u de dichtheid van meer abstracte of genuanceerde concepten kunt meten, zoals de energiedichtheid van materialen die worden gebruikt in chemische reacties. Dit kan de energiedichtheid zijn van brandstoffen die auto's gebruiken bij ontsteking of hoeveel kernenergie kan worden opgeslagen in elementen zoals uranium.
Als u bijvoorbeeld de luchtdichtheid vergelijkt met de dichtheid van elektrische veldlijnen rond een elektrisch geladen object, kunt u een beter idee krijgen van hoe u hoeveelheden over verschillende volumes kunt integreren.