NộI Dung
Mặc dù có vẻ như không có gì, không khí xung quanh bạn có mật độ. Mật độ của không khí có thể được đo lường và nghiên cứu cho các tính năng của vật lý và hóa học như trọng lượng, khối lượng hoặc thể tích của nó. Các nhà khoa học và kỹ sư sử dụng kiến thức này trong việc tạo ra các thiết bị và sản phẩm tận dụng áp suất không khí khi bơm lốp xe, đưa vật liệu qua bơm hút và tạo ra các con dấu kín chân không.
Công thức mật độ không khí
Công thức mật độ không khí cơ bản và đơn giản nhất chỉ đơn giản là chia khối lượng không khí cho thể tích của nó. Đây là định nghĩa chuẩn của mật độ như ρ = m / V cho mật độ ρ ("rho") thường tính bằng kg / m3, khối lượng m tính bằng kg và khối lượng V tính bằng m3. Ví dụ: nếu bạn có 100 kg không khí chiếm thể tích 1 m3, mật độ sẽ là 100 kg / m3.
Để có được ý tưởng tốt hơn về mật độ không khí cụ thể, bạn cần tính đến cách không khí được tạo ra từ các loại khí khác nhau khi hình thành mật độ của nó. Ở nhiệt độ, áp suất và thể tích không đổi, không khí khô thường được tạo thành từ 78% nitơ (VIẾT SAI RỒI2), 21% oxy (Ôi2) và một phần trăm argon (Ar).
Để tính đến ảnh hưởng của các phân tử này đối với áp suất không khí, bạn có thể tính khối lượng không khí bằng tổng nitrogens hai nguyên tử của 14 đơn vị nguyên tử mỗi nguyên tử, oxy hóa hai nguyên tử của 16 đơn vị nguyên tử mỗi nguyên tử và tạo ra một nguyên tử 18 đơn vị nguyên tử .
Nếu không khí không khô hoàn toàn, bạn cũng có thể thêm một số phân tử nước (H2Ôi) là hai đơn vị nguyên tử cho hai nguyên tử hydro và 16 đơn vị nguyên tử cho nguyên tử oxy đơn. Nếu bạn tính toán khối lượng không khí bạn có, bạn có thể giả sử rằng các thành phần hóa học này được phân phối đều khắp nó và sau đó tính phần trăm của các thành phần hóa học này trong không khí khô.
Bạn cũng có thể sử dụng trọng lượng riêng, tỷ lệ giữa trọng lượng và khối lượng trong tính toán mật độ. Trọng lượng riêng γ ("gamma") được đưa ra bởi phương trình γ = (m * g) / V = ρ * g có thêm một biến bổ sung g là hằng số gia tốc trọng trường 9,8 m / s2. Trong trường hợp này, tích của khối lượng và gia tốc trọng trường là trọng lượng của khí và chia giá trị này cho thể tích V có thể cho bạn biết trọng lượng cụ thể của khí.
Máy tính mật độ không khí
Một máy tính mật độ không khí trực tuyến như máy tính của Engineering Toolbox cho phép bạn tính toán các giá trị lý thuyết cho mật độ không khí ở nhiệt độ và áp suất nhất định. Trang web cũng cung cấp một bảng mật độ không khí của các giá trị ở nhiệt độ và áp suất khác nhau. Những biểu đồ này cho thấy mật độ và trọng lượng riêng giảm ở các giá trị cao hơn của nhiệt độ và áp suất.
Bạn có thể làm điều này vì định luật Avogadros, trong đó nêu rõ, "các thể tích bằng nhau của tất cả các chất khí, ở cùng nhiệt độ và áp suất, có cùng số lượng phân tử." Vì lý do này, các nhà khoa học và kỹ sư sử dụng mối quan hệ này trong việc xác định nhiệt độ, áp suất hoặc mật độ khi họ biết thông tin khác về một thể tích khí mà họ đang nghiên cứu.
Độ cong của các đồ thị này có nghĩa là có một mối quan hệ logarit giữa các đại lượng này. Bạn có thể chỉ ra rằng điều này phù hợp với lý thuyết bằng cách sắp xếp lại luật khí lý tưởng: PV = mRT cho áp lực P, âm lượng V, khối lượng của khí m, hằng số khí R (0.167226 J / kg K) và nhiệt độ T để có được ρ = P / RT trong đó ρ là mật độ tính theo đơn vị m / V khối lượng / khối lượng (kg / m3). Hãy ghi nhớ phiên bản này của luật khí lý tưởng sử dụng R hằng số khí theo đơn vị khối lượng, không phải mol.
Sự thay đổi của định luật khí lý tưởng cho thấy rằng, khi nhiệt độ tăng, mật độ tăng theo logarit vì 1 / T tỷ lệ thuận với ρ. Mối quan hệ nghịch đảo này mô tả độ cong của đồ thị mật độ không khí và bảng mật độ không khí.
Mật độ không khí so với độ cao
Không khí khô có thể thuộc một trong hai định nghĩa. Nó có thể là không khí mà không có bất kỳ dấu vết nào của nước trong đó hoặc có thể là không khí có độ ẩm tương đối thấp, có thể thay đổi ở độ cao cao hơn. Các bảng mật độ không khí như bảng trên Omnicalculator cho thấy mật độ không khí thay đổi như thế nào đối với độ cao. Omnicalculator cũng có một máy tính để xác định áp suất không khí ở độ cao nhất định.
Khi độ cao tăng, áp suất không khí giảm chủ yếu do lực hấp dẫn giữa không khí và trái đất. Điều này là do lực hấp dẫn giữa trái đất và các phân tử không khí giảm, làm giảm áp lực của các lực giữa các phân tử khi bạn lên độ cao.
Nó cũng xảy ra bởi vì các phân tử có trọng lượng bản thân ít hơn vì trọng lượng nhỏ hơn do trọng lực ở độ cao cao hơn. Điều này giải thích tại sao một số thực phẩm mất nhiều thời gian hơn để nấu khi ở độ cao cao hơn vì chúng sẽ cần nhiều nhiệt hơn hoặc nhiệt độ cao hơn để kích thích các phân tử khí bên trong chúng.
Máy đo độ cao máy bay, dụng cụ đo độ cao, tận dụng lợi thế này bằng cách đo áp suất và sử dụng độ cao đó để ước tính độ cao, thường là theo mực nước biển trung bình (MSL). Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cho bạn câu trả lời chính xác hơn bằng cách đo khoảng cách thực tế trên mực nước biển.
Đơn vị mật độ
Các nhà khoa học và kỹ sư chủ yếu sử dụng các đơn vị SI cho mật độ kg / m3. Việc sử dụng khác có thể được áp dụng nhiều hơn dựa trên trường hợp và mục đích. Mật độ nhỏ hơn như các nguyên tố vi lượng trong vật thể rắn như thép thường có thể được biểu thị dễ dàng hơn bằng cách sử dụng đơn vị g / cm3. Các đơn vị mật độ có thể khác bao gồm kg / L và g / mL.
Hãy nhớ rằng, khi chuyển đổi giữa các đơn vị khác nhau về mật độ, bạn cần tính đến ba chiều của âm lượng như là một yếu tố theo cấp số nhân nếu bạn cần thay đổi các đơn vị cho âm lượng.
Ví dụ: nếu bạn muốn chuyển đổi 5 kg / cm3 đến kg / m3, bạn sẽ nhân 5 với 1003, không chỉ 100, để có kết quả 5 x 106 kg / m3.
Chuyển đổi tiện dụng khác bao gồm 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 và 1 g / mL = 1000 kg / m3. Những mối quan hệ này cho thấy tính linh hoạt của các đơn vị mật độ cho tình huống mong muốn.
Trong các tiêu chuẩn thông thường của các đơn vị Hoa Kỳ, bạn có thể quen với việc sử dụng các đơn vị như feet hoặc pound thay vì mét hoặc kilôgam, tương ứng. Trong các trường hợp này, bạn có thể nhớ một số chuyển đổi hữu ích như 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 và 1 lb / năm3 ≈ 0,037 lb / ft3. Trong những trường hợp này, đề cập đến một xấp xỉ vì những con số này để chuyển đổi là không chính xác.
Các đơn vị mật độ này có thể cho bạn ý tưởng tốt hơn về cách đo mật độ của các khái niệm trừu tượng hoặc sắc thái hơn như mật độ năng lượng của vật liệu được sử dụng trong các phản ứng hóa học. Đây có thể là mật độ năng lượng của nhiên liệu ô tô sử dụng trong đánh lửa hoặc bao nhiêu năng lượng hạt nhân có thể được lưu trữ trong các nguyên tố như uranium.
Chẳng hạn, so sánh mật độ không khí với mật độ của các đường sức điện trường xung quanh một vật tích điện, có thể cho bạn ý tưởng tốt hơn về cách tích hợp các đại lượng trên các thể tích khác nhau.