תוֹכֶן
למרות שזה אולי נראה כמו כלום, לאוויר סביבך יש צפיפות. ניתן למדוד ולבחון את צפיפות האוויר עבור תכונות של פיזיקה וכימיה כמו משקלו, מסתו או נפחו. מדענים ומהנדסים משתמשים בידע זה ביצירת ציוד ומוצרים המנצלים את לחץ האוויר בעת ניפוח צמיגים, החדרת חומרים באמצעות משאבות יניקה ויצירת אטמים אטומים ואקום.
נוסחת צפיפות אוויר
הנוסחה הבסיסית והישירה ביותר של צפיפות אוויר היא פשוט לחלק את מסת האוויר בנפח שלה. זוהי ההגדרה הסטנדרטית של צפיפות ρ = m / V לצפיפות ρ ("rho") בדרך כלל בק"ג / מ '3, מסה M בק"ג ובנפח V בתוך מ3. לדוגמה, אם היו לך 100 ק"ג אוויר שגוזל נפח של 1 מ '3, הצפיפות תהיה 100 ק"ג / מ3.
כדי לקבל מושג טוב יותר לגבי צפיפות האוויר באופן ספציפי, עליכם להביא בחשבון כיצד האוויר עשוי מגזים שונים בעת ניסוח הצפיפות שלו. בטמפרטורה קבועה, לחץ ונפח, אוויר יבש עשוי בדרך כלל 78% חנקן (נ2), 21% חמצן (O2) ואחוז אחד ארגון (Ar).
כדי לקחת בחשבון את ההשפעה שיש למולקולות אלה על לחץ האוויר, אתה יכול לחשב את מסת האוויר כסכום של ניטרוגנים שני אטומים של 14 יחידות אטומיות כל אחד, מחמיצות שני אטומים של 16 יחידות אטומיות כל אחד וארגון אטום יחיד של 18 יחידות אטומיות .
אם האוויר אינו יבש לחלוטין, תוכלו להוסיף גם כמה מולקולות מים (ח2O) שהן שתי יחידות אטומיות לשני אטומי המימן ו -16 יחידות אטומיות לאטום החמצן הייחודי. אם מחשבים כמה מסת אוויר יש לך, אתה יכול להניח שמרכיבים כימיים אלה מופצים לאורכו באופן אחיד ואז מחשבים את אחוז המרכיבים הכימיים הללו באוויר יבש.
אתה יכול גם להשתמש במשקל הספציפי, ביחס בין המשקל לנפח בחישוב צפיפות. המשקל הספציפי γ ("גמא") ניתנת על ידי המשוואה γ = (m * g) / V = ρ * g שמוסיף משתנה נוסף ז כקבוע של תאוצת הכבידה 9.8 מ '/ ש2. במקרה זה, תוצר המסה והאצה הכבדית הוא משקל הגז, וחילוק ערך זה בנפח V יכול לומר לך את המשקל הספציפי לגזים.
מחשבון צפיפות אוויר
מחשבון צפיפות אוויר מקוון כמו זה של ארגז הכלים הנדסי מאפשר לך לחשב ערכים תיאורטיים עבור צפיפות אוויר בטמפרטורות ולחצים נתונים. האתר גם מספק טבלת צפיפות אוויר של ערכים בטמפרטורות ולחצים שונים. גרפים אלה מראים כיצד צפיפות ומשקל ספציפי יורדים בערכים גבוהים יותר של טמפרטורה ולחץ.
אתה יכול לעשות זאת בגלל חוק Avogadros, הקובע כי "נפחים שווים של כל הגזים, באותה טמפרטורה ולחץ זהים, יש אותו מספר מולקולות." מסיבה זו מדענים ומהנדסים משתמשים במערכת יחסים זו בקביעת טמפרטורה, לחץ או צפיפות כאשר הם מכירים מידע אחר אודות נפח הגז אותו הם חוקרים.
עקמומם של גרפים אלה פירושו שיש קשר לוגריתמי בין כמויות אלה. אתה יכול להראות שזה תואם את התיאוריה על ידי סידור מחדש של חוק הגז האידיאלי: PV = mRT ללחץ ע, כרך V, מסת הגז M, קבוע גז ר (0.167226 J / kg K) וטמפרטורה ט להשיג ρ = P / RT בו ρ הוא צפיפות ביחידות של m / V מסה / נפח (ק"ג / מ ')3). זכור כי גרסה זו של חוק הגז האידיאלי עושה שימוש ב ר קבוע גז ביחידות של מסה, לא שומות.
הווריאציה של חוק הגז האידיאלי מראה שככל שהטמפרטורה עולה, הצפיפות עולה לוגריתמית מכיוון 1 / ת הוא פרופורציונלי ל ρ. קשר הפוך זה מתאר את העקמומיות של גרפי צפיפות האוויר וטבלאות צפיפות האוויר.
צפיפות אוויר לעומת גובה
אוויר יבש יכול ליפול תחת אחת משתי הגדרות. זה יכול להיות אוויר ללא שמץ של מים בתוכו או שזה יכול להיות אוויר עם לחות יחסית של יחסות, אותם ניתן לשנות בגבהים גדולים יותר. טבלאות צפיפות אוויר כמו זו שמופיעות במערכת השיניים מראים כיצד צפיפות האוויר משתנה ביחס לגובה. למחשב אומני יש גם מחשבון לקביעת לחץ אוויר בגובה נתון.
ככל שגובה הגובה, לחץ האוויר יורד בעיקר בגלל המשיכה הכבדית בין אוויר לכדור הארץ. הסיבה לכך היא שמשיכת הכבידה בין כדור הארץ למולקולות האוויר פוחתת, ומפחיתה את לחץ הכוחות בין המולקולות כשאתה עולה לגבהים גדולים יותר.
זה קורה גם מכיוון שלמולקולות יש פחות משקל בעצמם מכיוון שמשקל נמוך יותר בגלל כוח הכבידה בגבהים גבוהים יותר. זה מסביר מדוע כמה מאכלים לוקחים זמן רב יותר לבישול כאשר הם נמצאים בגבהים גבוהים מכיוון שהם זקוקים לחום רב יותר או לטמפרטורה גבוהה יותר כדי לרגש את מולקולות הגז שבתוכם.
מד גובה מטוסים, מכשירים המודדים גובה, מנצלים זאת על ידי מדידת לחץ ומשתמשים בזה כדי להעריך את הגובה, בדרך כלל מבחינת גובה הים הממוצע (MSL). מערכות מיקום עולמי (GPS) נותנות לך תשובה מדויקת יותר על ידי מדידת המרחק הממשי מעל פני הים.
יחידות של צפיפות
מדענים ומהנדסים משתמשים בעיקר ביחידות ה- SI בצפיפות של ק"ג / מ '3. שימושים אחרים עשויים להיות מיושמים יותר בהתבסס על המקרה ועל המטרה. צפיפויות קטנות יותר כמו אלו של יסודות קורט בחפצים מוצקים כמו פלדה בדרך כלל יכולות להתבטא ביתר קלות באמצעות יחידות של גרם / ס"מ3. יחידות צפיפות אפשריות אחרות כוללות ק"ג / ליטר וג"ל / מ"ל.
קח בחשבון, בעת ההמרה בין יחידות שונות לצפיפות, עליך להביא בחשבון את שלושת הממדים של הנפח כגורם מעריכי אם עליך לשנות את יחידות הנפח.
לדוגמה, אם רצית להמיר 5 ק"ג / ס"מ3 לק"ג / מ '3, היית מכפיל 5 ב 1003, לא רק 100, כדי להשיג את התוצאה של 5 על 106 ק"ג / מ3.
המרות שימושיות אחרות כוללות 1 גרם / ס"מ3 = .001 ק"ג / מ3, 1 ק"ג / ל = 1000 ק"ג / מ3 ו- 1 גרם / מ"ל = 1000 ק"ג / מ3. קשרים אלה מראים את הרבגוניות של יחידות צפיפות למצב הרצוי.
בסטנדרטים המקובלים בארצות הברית של יחידות, יתכן שתרגלו יותר להשתמש ביחידות כמו רגליים או קילוגרמים במקום מטרים או קילוגרמים, בהתאמה. בתרחישים אלה, אתה יכול לזכור כמה המרות שימושיות כמו 1 גרם לאינץ '3 = 108 £ / ft3, £ 1 / גל ≈ 7.48 £ / ft3 ו 1 ליבר / יט3 ≈ 0.037 £ / רגל3. במקרים אלה ≈ מתייחס לקירוב מכיוון שמספרים אלה להמרה אינם מדויקים.
יחידות צפיפות אלה יכולות לתת לך מושג טוב יותר כיצד למדוד צפיפות של מושגים מופשטים יותר או מדויקים יותר כמו צפיפות האנרגיה של חומרים המשמשים בתגובות כימיות. זה יכול להיות צפיפות האנרגיה של דלקים שמכוניות משתמשים בהצתה או כמה אנרגיה גרעינית יכולה להיות מאוחסנת באלמנטים כמו אורניום.
השוואה של צפיפות אוויר לצפיפות של קווי שדה חשמליים סביב אובייקט טעון חשמלי, למשל, יכולה לתת לך מושג טוב יותר כיצד לשלב כמויות על פני נפחים שונים.