المحتوى
على الرغم من أنه قد لا يبدو شيئًا ، إلا أن الهواء المحيط بك يحتوي على كثافة. يمكن قياس ودراسة كثافة الهواء للتعرف على ميزات الفيزياء والكيمياء مثل وزنه أو كتلته أو حجمه. يستخدم العلماء والمهندسون هذه المعرفة في إنشاء المعدات والمنتجات التي تستفيد من ضغط الهواء عند نفخ الإطارات ، وتصنيع المواد من خلال مضخات الشفط وإنشاء أختام محكمة الغلق.
صيغة كثافة الهواء
صيغة كثافة الهواء الأساسية والمباشرة تقسم كتلة الهواء ببساطة من حيث حجمها. هذا هو التعريف القياسي للكثافة ρ = m / V للكثافة ρ ("rho") عمومًا بالكيلوغرام / م3، كتلة م بالكيلو جرام والحجم الخامس في م3. على سبيل المثال ، إذا كان لديك 100 كيلوغرام من الهواء استغرق حجم 1 متر3، ستكون الكثافة 100 كجم / م3.
للحصول على فكرة أفضل عن كثافة الهواء على وجه التحديد ، تحتاج إلى حساب كيفية صنع الهواء من غازات مختلفة عند صياغة كثافته. عند درجة حرارة ثابتة وضغط وحجم ، يتكون الهواء الجاف عادة من 78٪ من النيتروجين (N2) ، 21 ٪ من الأكسجين (O2) وأرجون واحد بالمائة (ع).
لمراعاة التأثير الذي تحدثه هذه الجزيئات على ضغط الهواء ، يمكنك حساب كتلة الهواء كمجموع من النيتروجين ذرتين من 14 وحدة ذرية ، أوكسجين ذرتين من 16 وحدة ذرية لكل أرجون وأرجون ذرة واحدة من 18 وحدة ذرية .
إذا لم يكن الهواء جافًا تمامًا ، يمكنك أيضًا إضافة بعض جزيئات الماء (هيدروجين2O) وهما وحدتان ذريتان لذرات الهيدروجين و 16 وحدة ذرية لذرة الأكسجين المفرد. إذا قمت بحساب كمية الهواء الموجودة لديك ، فيمكنك افتراض أن هذه المكونات الكيميائية موزعة في جميع أنحاءها بشكل موحد ثم تحسب النسبة المئوية لهذه المكونات الكيميائية في الهواء الجاف.
يمكنك أيضًا استخدام الوزن المحدد ، نسبة الوزن إلى الحجم في حساب الكثافة. الوزن المحدد γ ("gamma") تعطى بالمعادلة γ = (m * g) / V = ρ * g يضيف متغير إضافي ز كما ثابت تسارع الجاذبية 9.8 م / ث2. في هذه الحالة ، يكون ناتج تسارع الكتلة والجاذبية هو وزن الغاز ، وتقسيم هذه القيمة على الحجم الخامس يمكن أن أقول لك وزن معين الغاز.
حاسبة كثافة الهواء
تتيح لك الآلة الحاسبة لكثافة الهواء على الإنترنت ، مثل تلك التي وضعتها Engineering Toolbox ، حساب القيم النظرية لكثافة الهواء عند درجات حرارة وضغوط معينة. يوفر الموقع أيضًا جدولًا لقيم كثافة الهواء في درجات حرارة وضغوط مختلفة. توضح هذه الرسوم البيانية كيف تنخفض الكثافة والوزن المحدد عند ارتفاع درجات الحرارة والضغط.
يمكنك القيام بذلك بسبب قانون Avogadros ، الذي ينص على أن "كميات متساوية من جميع الغازات ، في نفس درجة الحرارة والضغط ، لها نفس عدد الجزيئات". لهذا السبب ، يستخدم العلماء والمهندسون هذه العلاقة في تحديد درجة الحرارة أو الضغط أو الكثافة عندما يعرفون معلومات أخرى حول حجم الغاز الذي يدرسونه.
يعني انحناء هذه الرسوم البيانية وجود علاقة لوغاريتمية بين هذه الكميات. يمكنك إظهار أن هذه النظرية تتطابق مع إعادة ترتيب قانون الغاز المثالي: PV = mRT للضغط P، الصوت الخامسكتلة الغاز م، ثابت الغاز R (0.167226 J / كجم K) ودرجة الحرارة تي لتأخذ، لتمتلك ρ = P / RT فيه ρ هي الكثافة بوحدات فيديو موسيقي الكتلة / الحجم (كجم / م3). ضع في اعتبارك أن هذا الإصدار من قانون الغاز المثالي يستخدم R ثابت الغاز في وحدات الكتلة ، وليس الشامات.
يظهر تباين قانون الغاز المثالي أنه مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد الكثافة لوغاريتمياً بسبب 1 / T يتناسب ρ. توضح هذه العلاقة العكسية انحناء الرسوم البيانية لكثافة الهواء وجداول كثافة الهواء.
كثافة الهواء مقابل الارتفاع
يمكن أن يقع الهواء الجاف تحت واحد من تعريفين. يمكن أن يكون الهواء دون أي أثر للماء فيه أو يمكن أن يكون الهواء ذو رطوبة نسبية منخفضة ، والتي يمكن تغييرها على ارتفاعات أعلى. توضح جداول كثافة الهواء مثل تلك الموجودة في Omnicalculator كيف تتغير كثافة الهواء فيما يتعلق بالارتفاع. يحتوي Omnicalculator أيضًا على آلة حاسبة لتحديد ضغط الهواء على ارتفاع معين.
كلما زاد الارتفاع ، انخفض ضغط الهواء بشكل أساسي بسبب الجاذبية بين الهواء والأرض. هذا بسبب انخفاض الجاذبية بين الأرض وجزيئات الهواء ، مما يقلل من ضغط القوى بين الجزيئات عندما تذهب إلى ارتفاعات أعلى.
يحدث هذا أيضًا لأن الجزيئات لها وزن أقل لأن وزنها أقل بسبب الجاذبية على ارتفاعات أعلى. وهذا ما يفسر لماذا تستغرق بعض الأطعمة وقتًا أطول للطبخ عندما تكون على ارتفاعات أعلى حيث ستحتاج إلى مزيد من الحرارة أو درجة حرارة أعلى لإثارة جزيئات الغاز بداخلها.
تستفيد أجهزة تحديد الارتفاع الخاصة بالطائرات ، وهي أجهزة تقيس الارتفاع ، من ذلك عن طريق قياس الضغط واستخدامه لتقدير الارتفاع ، عادةً من حيث متوسط مستوى سطح البحر (MSL). تمنحك أنظمة المواضع العالمية (GPS) إجابة أكثر دقة عن طريق قياس المسافة الفعلية فوق مستوى سطح البحر.
وحدات الكثافة
معظم العلماء والمهندسين استخدام وحدات SI لكثافة كجم / م3. قد تكون الاستخدامات الأخرى أكثر قابلية للتطبيق بناءً على الحالة والغرض. يمكن التعبير عن كثافات أصغر مثل تلك العناصر النزرة في الأجسام الصلبة مثل الصلب بسهولة أكبر باستخدام وحدات من الجرام / سم3. تشتمل الوحدات الأخرى الممكنة للكثافة على كجم / لتر و g / مل.
ضع في اعتبارك ، عند التحويل بين وحدات مختلفة للكثافة ، تحتاج إلى حساب الأبعاد الثلاثة لوحدة التخزين كعامل أسي إذا كنت بحاجة إلى تغيير وحدات الحجم.
على سبيل المثال ، إذا كنت تريد تحويل 5 كجم / سم3 إلى كجم / م3، ستضرب 5 في 1003، وليس 100 فقط ، للحصول على نتيجة 5 × 106 كجم / م3.
التحويلات المفيدة الأخرى تشمل 1 جم / سم3 = 0.001 كجم / م3، 1 كجم / لتر = 1000 كجم / م3 و 1 جم / مل = 1000 كجم / م3. تُظهر هذه العلاقات براعة وحدات الكثافة للوضع المطلوب.
في الولايات المتحدة المعايير المعتادة للوحدات ، قد تكون معتادا على استخدام وحدات مثل القدم أو جنيه بدلا من متر أو كيلوغرام ، على التوالي. في هذه السيناريوهات ، يمكنك تذكر بعض التحويلات المفيدة مثل 1 أوقية / في3 = 108 رطل / قدم3، 1 رطل / غال ≈ 7.48 رطل / قدم3 و 1 رطل / سنة3 37 0.037 رطل / قدم3. في هذه الحالات ، تشير ≈ إلى التقريب لأن هذه الأرقام للتحويل ليست دقيقة.
يمكن أن تمنحك وحدات الكثافة هذه فكرة أفضل عن كيفية قياس كثافة المفاهيم الأكثر تجريدًا أو اختلافًا دقيقًا ، مثل كثافة طاقة المواد المستخدمة في التفاعلات الكيميائية. قد يكون هذا هو كثافة الطاقة التي تستخدمها سيارات الوقود في الاشتعال أو مقدار الطاقة النووية التي يمكن تخزينها في عناصر مثل اليورانيوم.
على سبيل المثال ، يمكن أن تعطيك مقارنة كثافة الهواء بكثافة خطوط المجال الكهربائي حول جسم مشحون بالكهرباء فكرة أفضل عن كيفية دمج الكميات على أحجام مختلفة.