От чего зависит плотность воздуха в сосуде
Пло́тность во́здуха — масса газа атмосферы Земли на единицу объема или удельная масса воздуха при естественных условиях. Плотность воздуха является функцией от давления, температуры и влажности. Обычно стандартной величиной плотности воздуха на уровне моря в соответствии с Международной стандартной атмосферой принимается значение 1,2250 кг/м³, которая соответствует плотности сухого воздуха при 15 °С и давлении 101 330 Па.
Взаимосвязи в пределах модели идеального газа[править | править код]
| Влияние температуры на свойства воздуха на уровне моря | |||
|---|---|---|---|
| Температура | Скорость звука | Плотность воздуха из уравнения Клапейрона | Акустическое сопротивление |
| , °С | c , м/с | ρ , кг/м³ | Z , Н·с/м³ |
| +35 | 351,96 | 1,1455 | 403,2 |
| +30 | 349,08 | 1,1644 | 406,5 |
| +25 | 346,18 | 1,1839 | 409,4 |
| +20 | 343,26 | 1,2041 | 413,3 |
| +15 | 340,31 | 1,2250 | 416,9 |
| +10 | 337,33 | 1,2466 | 420,5 |
| +5 | 334,33 | 1,2690 | 424,3 |
| 331,30 | 1,2920 | 428,0 | |
| −5 | 328,24 | 1,3163 | 432,1 |
| −10 | 325,16 | 1,3413 | 436,1 |
| −15 | 322,04 | 1,3673 | 440,3 |
| −20 | 318,89 | 1,3943 | 444,6 |
| −25 | 315,72 | 1,4224 | 449,1 |
Температура, давление и плотность[править | править код]
Плотность сухого воздуха может быть вычислена с использованием уравнения Менделеева — Клапейрона для идеального газа при заданных температуре и давлении:
Здесь — плотность воздуха, — молярная масса (29 г/моль для сухого воздуха), — абсолютное давление, — универсальная газовая постоянная, — абсолютная температура в кельвинах. Таким образом, подстановкой получаем:
- при стандартной атмосфере Международного союза теоретической и прикладной химии (температуре 0 °С, давлении 100 кПа, нулевой влажности) плотность воздуха 1,2754 кг/м³;
- при 20 °C, 101,325 кПа и сухом воздухе плотность атмосферы составляет 1,2041 кг/м³.
В приведенной таблице даны различные параметры воздуха, вычисленные на основании соответствующих элементарных формул, в зависимости от температуры (давление взято равным 101,325 кПа).
Влияние влажности воздуха[править | править код]
Под влажностью понимается наличие в воздухе газообразного водяного пара, парциальное давление которого не превосходит давления насыщенного пара для данных атмосферных условий. Добавление водяного пара в воздух приводит к уменьшению его плотности, что объясняется более низкой молярной массой воды (18 г/моль) по сравнению с молярной массой сухого воздуха (~29 г/моль)[1]. Влажный воздух может рассматриваться как смесь идеальных газов, комбинация плотностей каждого из которых позволяет получить требуемое значение для их смеси[2]. Подобная интерпретация позволяет определять значение плотности с относительной погрешностью менее 0,2 % в диапазоне температур от −10 до +50 °C и может быть выражена следующим образом[2]:
где — плотность влажного воздуха (кг/м³);
— парциальное давление сухого воздуха (Па);
— газовая постоянная для сухого воздуха (287,058 Дж/кг·К);
— температура (K); — давление водяного пара (Па) и — постоянная для пара (461,495 Дж/кг·К).
Давление водяного пара может быть определено исходя из относительной влажности:
где — давление водяного пара;
— относительная влажность;
— парциальное давление насыщенного пара.
Парциальное давление насыщенного пара может быть представлено в виде следующего упрощенного выражения[2]:
которое дает результат в миллибарах.
Давление сухого воздуха определяется разностью:
где обозначает абсолютное давление рассматриваемой системы.
Влияние высоты над уровнем моря в тропосфере[править | править код]
Зависимость давления, температуры и плотности воздуха от высоты по отношению к значениям этих величин на уровне моря ( Па, K, кг/м³) для «стандартной атмосферы»
Для вычисления плотности воздуха на определённой высоте в тропосфере (формула справедлива для высот менее 20 км) могут использоваться следующие параметры (в параметрах атмосферы указано значение для стандартной атмосферы):
Для тропосферы (то есть области линейного убывания температуры — это единственное свойство тропосферы, используемое здесь) температура на высоте над уровнем моря может быть задана формулой:
Давление на высоте :
Тогда плотность может быть вычислена подстановкой соответствующих данной высоте температуры и давления в формулу:
Эти три формулы (зависимость температуры, давления и плотности от высоты) и использованы для построения графиков, приведенных справа.
Графики нормализованы — показывают общий вид поведения параметров. «Нулевые» значения для верных вычислений нужно каждый раз подставлять в соответствии с показаниями соответствующих приборов (термометра и барометра) на данный момент на уровне моря.
См. также[править | править код]
Видеоурок: плотность воздуха
- Стандартная атмосфера
- Модели атмосферы (англ.)русск.
Примечания[править | править код]
Ссылки[править | править код]
- Conversions of density units ρ (англ.)
- Air density and density altitude calculations (англ.)
- Reference manual for air density, density altitude, and grains of water (англ.)
- Air density, density altitude, grains of water calculator by region (англ.)
Источник
Плотность воздуха — это физическая величина, характеризующая удельную массу воздуха при естественных условиях или массу газа атмосферы Земли на единицу объема. Величина плотности воздуха представляет собой функцию от высоты производимых измерений, от его влажности и температуры.
- Плотность воздуха равна…
- Определение плотности воздуха
- Формула плотности воздуха
- Что такое относительная плотность по воздуху?
- Как плотность воздуха зависит от температуры?
- Как измеряется плотность паров по воздуху?
Плотность воздуха равна… ^
За стандарт плотности воздуха принята величина, равная 1,29 кг/м3, которая вычисляется как отношение его молярной массы (29 г/моль) к молярному объему, одинаковому для всех газов (22,413996 дм3), соответствующая плотности сухого воздуха при 0°С (273,15°К) и давлении 760 мм ртутного столба (101325 Па) на уровне моря (то есть при нормальных условиях).
Определение плотности воздуха ^
Не так давно сведения о плотности воздуха получали косвенно за счет наблюдений за полярными сияниями, распространением радиоволн, метеорами. С момента появления искусственных спутников Земли плотность воздуха начали вычислять благодаря данным, полученным от их торможения.
Еще один метод заключается в наблюдениях за расплыванием искусственных облаков из паров натрия, создаваемых метеорологическими ракетами. В Европе плотность воздуха у поверхности Земли составляет 1,258 кг/м3, на высоте пяти км — 0,735, на высоте двадцати км — 0,087, на высоте сорока км — 0,004 кг/м3.
Различают два вида плотности воздуха: массовая и весовая (удельный вес).
Как выбрать освежители воздуха для комнаты, какие они бывают?
Если вам стало тяжело дышать, какие могут быть причины этого явления? Об этом можно прочитать здесь. Бережем свое здоровье!
Формула плотности воздуха ^
Весовая плотность определяет вес 1 м3 воздуха и вычисляется по формуле γ = G/V, где γ – весовая плотность, кгс/м3; G — вес воздуха, измеряемый в кгс; V – объем воздуха, измеряемый в м3. Установлено, что 1 м3 воздуха при стандартных условиях (барометрическое давление 760 мм ртутного столба, t=15°С) весит 1,225 кгс, исходя из этого, весовая плотность (удельный вес) 1 м3 воздуха равна γ =1,225 кгс/м3.
Что такое относительная плотность по воздуху? ^
Следует принять во внимание, что вес воздуха – это величина изменчивая и меняется в зависимости от различных условий, таких как географическая широта и сила инерции, которая возникает при вращении Земли вокруг своей оси. На полюсах вес воздуха на 5% больше, чем в зоне экватора.
Массовая плотность воздуха – это масса 1 м3 воздуха, обозначаемая греческой буквой ρ. Как известно, масса тела – величина постоянная. За единицу массы принято считать массу гири из иридистой платины, которая находится в Международной палате мер и весов в Париже.
Массовая плотность воздуха ρ вычисляется по следующей формуле: ρ = m / v. Здесь m – масса воздуха, измеряемая в кг×с2/м; ρ – его массовая плотность, измеряемая в кгс×с2/м4.
Массовая и весовая плотности воздуха находятся в зависимости: ρ = γ / g, где g – коэффициент ускорения свободного падения, равный 9,8 м/с². Откуда следует, что массовая плотность воздуха при стандартных условиях равна 0,1250 кг×с2/м4.
Как плотность воздуха зависит от температуры? ^
При изменении барометрического давления и температуры плотность воздуха изменяется. Исходя из закона Бойля-Мариотта, чем больше давление, тем больше будет плотность воздуха. Однако с уменьшением давления с высотой, уменьшается и плотности воздуха, что привносит свои коррективы, в результате чего закон изменения давления по вертикали становится сложнее.
Уравнение, которое выражает данный закон изменения давления с высотой в атмосфере, находящейся в покое, называется основным уравнением статики.
Оно гласит, что с увеличением высоты давление изменяется в меньшую сторону и при подъеме на одну и ту же высоту уменьшение давления тем больше, чем больше сила тяжести и плотность воздуха.
Важная роль в этом уравнении принадлежит изменениям плотности воздуха. В итоге можно сказать, что чем выше подниматься, тем меньше будет падать давление при подъеме на одинаковую высоту. Плотность воздуха от температуры зависит следующим образом: в теплом воздухе давление уменьшается менее интенсивно, чем в холодном, следовательно, на одинаково равной высоте в теплой воздушной массе давление более высокое, чем в холодной.
При изменяющихся значениях температуры и давления массовая плотность воздуха вычисляется по формуле: ρ = 0,0473хВ / Т. Здесь В – это барометрическое давление, измеряемое в мм ртутного столба, Т — температура воздуха, измеряемая в Кельвинах.
Как выбирают газовые обогреватели для дачи, по каким характеристикам, параметрам?
Что такое промышленный осушитель сжатого воздуха? Читайте про это здесь, наиболее интересная и актуальная информация.
Какие сейчас цены на озонотерапию? Вы узнаете об этом в данной статье:
https://about-air.ru/sostav-vozduha/ozon/ozonoterapiya-otzyvy.html. Отзывы, показания и противопоказания при озонотерапии.
Как измеряется плотность паров по воздуху? ^
Также плотность определяется и влажностью воздуха. Наличие водяных поров приводит к уменьшению плотности воздуха, что объясняется низкой молярной массой воды (18 г/моль) на фоне молярной массы сухого воздуха (29 г/моль). Влажный воздух можно рассмотреть как смесь идеальных газов, в каждом из которых комбинация плотностей позволяет получить требуемое значение плотности для их смеси.
Такая, своего рода, интерпретация позволяет определять значения плотности с уровнем погрешности менее 0,2% в диапазоне температур от −10 °C до 50 °C. Плотность воздуха позволяет получить величину его влагосодержания, которая вычисляется путем деления плотности водяного пара (в граммах), который содержится в воздухе, на показатель плотности сухого воздуха в килограммах.
Основное уравнение статики не позволяет решать постоянно возникающие практические задачи в реальных условиях изменяющейся атмосферы. Поэтому его решают при различных упрощенных предположениях, которые соответствуют фактическим реальным условиям, за счет выдвижения ряда частных предположений.
Основное уравнение статики дает возможность получить значение вертикального градиента давления, который выражает изменение давления при подъеме или спуске на единицу высоты, т. е. изменение давления на единицу расстояния по вертикали.
Вместо вертикального градиента нередко используют обратную ему величину — барическую ступень в метрах на миллибар (иногда еще встречается устаревший вариант термина «градиент давления» — барометрический градиент).
Низкая плотность воздуха определяет незначительное сопротивление передвижению. Многими наземными животными, в ходе эволюции, использовались экологические выгоды этого свойства воздушной среды, за счет чего они приобрели способность к полету. 75% всех видов наземных животных способны к активному полету. По большей части это насекомые и птицы, но встречаются млекопитающие и рептилии.
Видео на тему «Определение плотности воздуха»
Источник
Если разделить массу тела на объем или площадь, которую она занимает, то получим плотность тела (поверхности). Некоторые вещества состоят из нескольких компонентов. У каждого из них своя плотность. При расчетах используется их сумма. Полученный результат и является плотностью всего вещества (соединения). Данный показатель может определяться для разных тел. Во многих случаях именно плотность является определяющим параметром при расчетах, осуществлении работ и при прочих важных обстоятельствах. Далее в статье рассмотрим общее значение понятия. Выясним, какое значение имеет плотность воздуха. Рассмотрим также влияние тех или иных факторов на показатель.
Виды плотности
Тела существуют различные. Так же, как и бывают разные состояния веществ. Есть, например, жидкости и газы. Есть сыпучие и пористые тела. Для них существуют такие плотности: истинная (не берут во внимание учет пустот), удельная (отношение массы всего вещества к объему, которое она занимает). Существует коэффициент пористости (часть объема пустот, которые есть во всем объеме). Именно с помощью этого коэффициента получают истинную плотность.
Зависимость от температуры
Много ли факторов способны изменить плотность? Рассмотрим основные внешние явления, которые могут обладать такой способностью. Плотность увеличивается, когда уменьшается температура. Хотя некоторые вещества являются исключениями. К ним относятся, например, вода, чугун и бронза. В этом случае изменения происходят по-другому. Самая высока плотность у воды, когда жидкость достигает 4 градусов тепла, а если температура становится выше или ниже, то она уменьшается.
Важность агрегатного состояния
Агрегатное состояние тела определяет многие его характеристики. Так, к примеру, жидкости обладают одними свойствами, газы – другими. Отличие отмечается и в характере взаимодействия тел друг с другом. Бывает и такое, что меняется агрегатное состояние. В таком случае плотность изменяется по-разному. Если состояние переходит с газообразного в жидкое, то она растет. Вода и кремний, например, ведут себя особенным образом. Как только они переходят в твердое состояние, плотность уменьшается. Такими свойствами еще обладает германий. Они являются исключениями за счет своих свойств.
Прочие факторы
Плотность воздуха играет большую роль в жизни всего живого на планете, хотя мало кто задумывается об этом явлении. Почему парят птицы в воздухе, летают самолеты, а какой-то предмет падает на землю, а не задерживается в пространстве? Кроме того, в этом всем участвует и плотность воздуха. Однако это соединение обладает и прочими свойствами. Так, когда говорят о погодных условиях, то используют такое определение, как влажность воздуха. Если он сухой, то человеку тяжелее дышать и передвигаться, любое существо испытывает дискомфорт. Как только хоть немного появляется влаги, то эти ощущения пропадают. А ведь все это зависит от того, что сухой воздух имеет большую плотность, а судя из соотношения, и массу. Все это изучалось еще в школьные годы на уроках физики.
Исследования Ньютона
Если задуматься, то такие явления, перечисленные выше, могут показаться непонятными. Ведь как сухой воздух может быть тяжелее того, который насыщен влагой? А именно водой в газообразном состоянии. Но это парадоксальное явление давно доказали ученые, да еще и подтвердили многими исследованиями. Первый, кто об этом начал говорить, был Исаак Ньютон. Все свои мысли и доводы он написал в книге “Оптика”. Ученый говорил о том, что именно плотность влажного воздуха ниже, чем у сухого. В 1717 году эта книга вышла в свет в Лондоне. Но, к сожалению, гипотезы известного ученого не взяли во внимание, “Оптика” не имела большого успеха.
Опыт Авогадро
Амадео Авогардо доказал, что в равных объемах идеальных газов число молекул будет одинаковым вне зависимости от изменений температуры. Позднее такую величину молекул назвали константой Авогадро. А саму гипотезу – законом, которому также присвоили имя ученого. Часто приводят пример, который показывает, как зависит плотность воздуха от температуры и прочих факторов. Приведем несколько показателей. Обычно чистый воздух имеет примерно 78% азотных молекул (атомный вес – 28). Остальные 21% – это кислород. Его атомный вес равняется 32. Еще один процент считается несущественным, так как он принадлежит разным газам, которые тоже входят в состав воздуха.
Молекулы самого газа могут выйти за пределы емкости, в которой находятся. Именно Авогадро сделал эксперимент: в абсолютно сухой воздух добавил молекулы воды. Это показало, что он стал менее плотным. А все из-за того, что азот и водород тяжелее H2O, которая вытеснила некоторое количество атомов. Таким образом и было установлено, что плотность воздуха сухого больше, чем насыщенного водой. А это значит, все, что доказывал Авогадро, является правдой. Хотя многое зависит больше не от влаги, а от температуры, например. Немаловажное значение имеет и давление.
Как определить плотность воздуха
Провести непосредственные измерения не представляется возможным. Для расчетов существуют конкретные формулы, чтобы получить нужный показатель. Есть 2 вида плотностей: весовая и массовая. В основном используют последнюю.
1. Буквой g обозначают весовую плотность воздуха (это вес на один кубометр). Измеряется он соотношением веса соединения (который вымеряют в кгс) на его объем (м3).
2. Из-за многих нюансов показатели могут меняться. Влияет на это вращение Земли, географическая широта, сила инерции. Так, например, на экваторе вес будет меньше на 5% по сравнению с полюсами. Было измерено то, что если давление будет 769 мм рт. ст, а температура будет +15, то один кубометр будет иметь весовую плотность около 1,225 кгс.
3. В формулах используются различные обозначения. Буквой р обозначают массовую плотность воздуха – это масса на один кубометр воздуха. Известно, что она не меняется от внешних факторов, всегда равняется одному показателю. За единицу массы плотности принята масса гири из иридистой платины, хранящейся в Международной палате мер и весов в Париже. Если же говорить о формуле, то эта плотность равняется отношению массы к плотности воздуха.
4. Когда происходят какие-то изменения (то ли в температуре, то ли в давлении воздуха), то и сама плотность изменяется. При изменяющихся показателях массовая плотность воздуха вычисляется по формуле: p = 0,0473 х В / Т. Здесь В – барометрическое давление, измеряется в мм рт. ст., Т – температура воздуха, измеряется в Кельвинах.
5. Если давление увеличится, а температура, наоборот, понизится, то плотность воздуха будет расти. Исходя из такого утверждения можно сделать вывод, что в зимние морозы она будет самая высокая. Чем выше подниматься в пространстве, тем больше будет уменьшаться плотность, ведь давление становится меньше.
Заключение
Итак, судя по всем вышеперечисленным примерам, плотность воздуха – это довольно-таки изменчивый показатель. Ведь много факторов влияет на ее понижение или повышение. Для того чтобы ее правильно измерять, нужно их учитывать. Какие-либо изменения в природе оказывают активное влияние на показатель. Ведь воздух меняет свои свойства во влажную погоду или сухую, в морозные или жаркие летние дни, со сменой давления. Это было неоднократно доказано известными учеными.
Источник