Kandungan
Walaupun ia kelihatan seperti tidak ada, udara di sekeliling anda mempunyai ketumpatan. Ketumpatan udara boleh diukur dan dikaji untuk ciri-ciri fizik dan kimia seperti berat, jisim atau isipadu. Para saintis dan jurutera menggunakan pengetahuan ini dalam mencipta peralatan dan produk yang memanfaatkan tekanan udara apabila menaikkan tayar, menaikkan bahan melalui pam sedutan dan membuat meterai ketat vakum.
Formula Ketumpatan Udara
Formula ketumpatan udara yang paling asas dan mudah hanya membahagikan jisim udara dengan jumlahnya. Ini adalah definisi standard ketumpatan sebagai ρ = m / V untuk ketumpatan ρ ("rho") secara umumnya dalam kg / m3, jisim m dalam kg dan isipadu V dalam m3. Sebagai contoh, jika anda mempunyai 100 kg udara yang mengambil jumlah 1 m3, kepadatannya adalah 100 kg / m3.
Untuk mendapatkan gambaran yang lebih baik mengenai kepadatan udara secara khusus, anda perlu mengambil kira bagaimana udara diperbuat daripada gas yang berbeza apabila merumuskan ketumpatannya. Pada suhu malar, tekanan dan isipadu, udara kering biasanya diperbuat daripada 78% nitrogen (N2), 21% oksigen (O2) dan satu peratus argon (Ar).
Untuk mengambil kira kesan molekul ini pada tekanan udara, anda boleh mengira jisim udara sebagai jumlah nitrogen dua atom dari 14 unit atom setiap, oxygens dua atom daripada 16 unit atom masing-masing dan argons atom tunggal 18 unit atom .
Jika isnt udara benar-benar kering, anda juga boleh menambah beberapa molekul air (H2O) yang merupakan dua unit atom untuk dua atom hidrogen dan 16 unit atom untuk atom oksigen tunggal. Jika anda mengira berapa banyak jisim udara yang anda miliki, anda boleh menganggap bahawa unsur-unsur kimia ini diedarkan ke seluruhnya secara seragam dan kemudian mengira peratus komponen kimia ini di udara kering.
Anda juga boleh menggunakan berat khusus, nisbah berat ke kelantangan dalam menghitung ketumpatan. Berat khusus γ ("gamma") diberikan oleh persamaan γ = (m * g) / V = ρ * g yang menambah pembolehubah tambahan g sebagai pemecut percepatan graviti 9.8 m / s2. Dalam kes ini, hasil pecutan massa dan graviti ialah berat gas, dan membahagikan nilai ini dengan isipadu V boleh memberitahu berat badan tertentu.
Kalkulator Ketumpatan Udara
Kalkulator ketumpatan udara dalam talian seperti yang ditunjukkan oleh Kotak Makmal Kejuruteraan membolehkan anda mengira nilai teori untuk ketumpatan udara pada suhu dan tekanan yang diberi. Laman web ini juga menyediakan jadual kepadatan udara nilai-nilai pada suhu dan tekanan yang berbeza. Graf ini menunjukkan betapa ketumpatan dan penurunan berat badan tertentu pada nilai suhu dan tekanan yang lebih tinggi.
Anda boleh melakukan ini kerana undang-undang Avogadros, yang menyatakan, "jumlah yang sama semua gas, pada suhu dan tekanan yang sama, mempunyai bilangan molekul yang sama." Atas sebab ini, saintis dan jurutera menggunakan hubungan ini dalam menentukan suhu, tekanan atau ketumpatan apabila mereka mengetahui maklumat lain mengenai jumlah gas yang mereka sedang belajar.
Kelengkungan dari graf ini bermakna terdapat hubungan logaritma antara kuantiti ini. Anda boleh menunjukkan bahawa ini perlawanan teori dengan mengatur semula undang-undang gas yang ideal: PV = mRT untuk tekanan P, kelantangan V, jisim gas m, pemalar gas R (0.167226 J / kg K) dan suhu T untuk mendapatkan ρ = P / RT di mana ρ adalah ketumpatan dalam unit m / V jisim / isipadu (kg / m3). Perlu diingat versi undang-undang gas yang ideal ini menggunakan R pemalar gas dalam unit jisim, bukan tahi lalat.
Variasi undang-undang gas yang ideal menunjukkan bahawa, apabila suhu meningkat, ketumpatan meningkat secara logaritma kerana 1 / T berkadar dengan ρ. Hubungan songsang ini menerangkan kelengkungan graf ketumpatan udara dan jadual ketumpatan udara.
Ketumpatan Udara vs. Ketinggian
Udara kering boleh jatuh di bawah satu daripada dua definisi. Ia boleh menjadi udara tanpa sebarang jejak air di dalamnya atau ia boleh menjadi udara dengan kelembapan kerelatifan yang rendah, yang boleh diubah pada ketinggian yang lebih tinggi. Jadual ketumpatan udara seperti yang di Omnicalculator menunjukkan bagaimana ketumpatan udara berubah dengan ketinggian. Omnicalculator juga mempunyai kalkulator untuk menentukan tekanan udara pada ketinggian yang diberikan.
Apabila ketinggian bertambah, tekanan udara berkurang terutamanya disebabkan daya tarikan graviti antara udara dan bumi. Ini kerana daya tarikan graviti di antara bumi dan molekul udara menurun, mengurangkan tekanan daya antara molekul apabila anda pergi ke ketinggian yang lebih tinggi.
Ia juga berlaku kerana molekul-molekul mempunyai berat badan yang kurang kerana berat badan yang lebih rendah disebabkan oleh graviti pada ketinggian yang lebih tinggi. Ini menjelaskan mengapa sesetengah makanan mengambil masa lebih lama untuk memasak apabila pada ketinggian yang lebih tinggi kerana mereka memerlukan lebih banyak haba atau suhu yang lebih tinggi untuk merangsang molekul gas di dalamnya.
Altimeter pesawat, instrumen yang mengukur ketinggian, mengambil kesempatan ini dengan mengukur tekanan dan menggunakannya untuk menganggarkan ketinggian, biasanya dari segi paras laut-rata (MSL). Sistem kedudukan global (GPS) memberi anda jawapan yang lebih tepat dengan mengukur jarak sebenar di atas paras laut.
Unit Ketumpatan
Para saintis dan jurutera kebanyakannya menggunakan unit SI untuk ketumpatan kg / m3. Penggunaan lain mungkin lebih sesuai berdasarkan kes dan tujuannya. Ketumpatan yang lebih kecil seperti unsur surih dalam objek pepejal seperti keluli umumnya boleh dinyatakan lebih mudah menggunakan unit g / cm3. Unit mungkin yang lain termasuk kg / L dan g / mL.
Perlu diingat, apabila menukar antara unit yang berbeza untuk kepadatan, anda perlu menyumbang tiga dimensi kelantangan sebagai faktor eksponen jika anda perlu menukar unit untuk kelantangan.
Sebagai contoh, jika anda ingin menukar 5 kg / cm3 hingga kg / m3, anda akan kalikan 5 hingga 1003, bukan sahaja 100, untuk mendapatkan keputusan 5 x 106 kg / m3.
Penukaran berguna yang lain termasuk 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 dan 1 g / mL = 1000 kg / m3. Hubungan ini menunjukkan fleksibiliti unit ketumpatan untuk keadaan yang dikehendaki.
Di Amerika Syarikat piawaian unit biasa, anda mungkin lebih biasa menggunakan unit seperti kaki atau pound berbanding meter atau kilogram, masing-masing. Dalam senario ini, anda boleh ingat beberapa penukaran berguna seperti 1 oz / dalam3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7.48 lb / ft3 dan 1 lb / yd3 ≈0.037 lb / ft3. Dalam kes ini, ≈ merujuk kepada penghampiran kerana angka-angka untuk penukaran tidak tepat.
Ketumpatan unit ini dapat memberi anda gambaran yang lebih baik tentang bagaimana mengukur ketumpatan konsep yang lebih abstrak atau bernuansa seperti kepadatan tenaga bahan yang digunakan dalam tindak balas kimia. Ini boleh menjadi ketumpatan tenaga kereta api yang digunakan dalam pencucuhan atau berapa banyak tenaga nuklear boleh disimpan dalam elemen seperti uranium.
Membandingkan ketumpatan udara ke ketumpatan talian medan elektrik di sekitar objek yang dikenakan elektrik, sebagai contoh, boleh memberi anda idea yang lebih baik tentang cara mengintegrasikan kuantiti ke atas jumlah yang berbeza.