Contenu
- Formule de densité d'air
- Calculateur de densité d'air
- Densité de l'air par rapport à l'altitude
- Unités de densité
Bien que cela puisse sembler être rien, l’air autour de vous a une densité. La densité de l'air peut être mesurée et étudiée pour des caractéristiques physiques et chimiques telles que son poids, sa masse ou son volume. Les scientifiques et les ingénieurs utilisent ces connaissances pour créer des équipements et des produits qui tirent parti de la pression de l'air lors du gonflage des pneus, des matériaux à l'aide de pompes d'aspiration et de la création de joints d'étanchéité sous vide.
Formule de densité d'air
La formule de densité d'air la plus simple et la plus directe consiste simplement à diviser la masse d'air par son volume. C’est la définition standard de la densité comme ρ = m / V pour la densité ρ ("rho") généralement en kg / m3, Masse m en kg et volume V dans M3. Par exemple, si vous aviez 100 kg d’air prenant un volume de 1 m3, la densité serait de 100 kg / m3.
Pour obtenir une meilleure idée de la densité de l'air, vous devez prendre en compte la composition de l'air en différents gaz lors de la formulation de sa densité. À température, pression et volume constants, l’air sec est généralement composé à 78% d’azote (N2), 21% d'oxygène (O2) et un pour cent d'argon (Ar).
Pour prendre en compte l'effet de ces molécules sur la pression atmosphérique, vous pouvez calculer la masse d'air en tant que somme de l'azote de deux atomes de 14 unités atomiques, d'oxygène de deux atomes de 16 unités atomiques chacune et d'argons d'un seul atome de 18 unités atomiques. .
Si l’air n’est pas complètement sec, vous pouvez également ajouter des molécules d’eau (H2O) qui sont deux unités atomiques pour les deux atomes d'hydrogène et 16 unités atomiques pour l'atome d'oxygène singulier. Si vous calculez votre masse d'air, vous pouvez supposer que ces composants chimiques sont répartis uniformément dans tout le liquide, puis calculer le pourcentage de ces composants chimiques dans l'air sec.
Vous pouvez également utiliser le poids spécifique, le rapport poids / volume dans le calcul de la densité. Le poids spécifique γ ("gamma") est donné par l'équation γ = (m * g) / V = ρ * g qui ajoute une variable supplémentaire g en tant que constante d'accélération gravitationnelle de 9,8 m / s2. Dans ce cas, le produit de la masse et de l’accélération gravitationnelle est le poids du gaz, en divisant cette valeur par le volume. V peut vous dire le poids spécifique de gaz.
Calculateur de densité d'air
Un calculateur de densité de l'air en ligne tel que celui de Engineering Toolbox vous permet de calculer des valeurs théoriques de densité de l'air à des températures et pressions données. Le site Web fournit également un tableau de densité de l'air contenant des valeurs pour différentes températures et pressions. Ces graphiques montrent comment la densité et le poids spécifique diminuent lorsque la température et la pression sont élevées.
Vous pouvez le faire en raison de la loi Avogadros, qui stipule que "des volumes égaux de tous les gaz, à la même température et à la même pression, ont le même nombre de molécules". Pour cette raison, les scientifiques et les ingénieurs utilisent cette relation pour déterminer la température, la pression ou la densité lorsqu'ils connaissent d'autres informations sur le volume de gaz étudié.
La courbure de ces graphiques signifie qu'il existe une relation logarithmique entre ces quantités. Vous pouvez montrer que cela correspond à la théorie en réorganisant la loi des gaz parfaits: PV = mRT pour la pression P, le volume V, masse du gaz m, constante de gaz R (0.167226 J / kg K) et la température T obtenir ρ = P / RT dans lequel ρ est la densité en unités de m / V masse / volume (kg / m3). Gardez à l’esprit cette version de la loi des gaz parfaits utilise le R gaz constant en unités de masse, pas de taupes.
La variation de la loi des gaz parfaits montre que, lorsque la température augmente, la densité augmente de façon logarithmique, car 1 / T est proportionnel à ρ. Cette relation inverse décrit la courbure des graphiques de densité de l'air et des tableaux de densité de l'air.
Densité de l'air par rapport à l'altitude
L'air sec peut tomber sous l'une des deux définitions. Il peut s'agir d'air sans aucune trace d'eau ou d'air peu humide, qui peut être modifié à des altitudes plus élevées. Les tableaux de densité de l'air tels que celui sur Omnicalculator montrent comment la densité de l'air varie en fonction de l'altitude. Omnicalculator dispose également d'un calculateur pour déterminer la pression atmosphérique à une altitude donnée.
À mesure que l'altitude augmente, la pression atmosphérique diminue principalement en raison de l'attraction gravitationnelle entre l'air et la terre. En effet, l’attraction gravitationnelle entre la Terre et les molécules d’air diminue, ce qui diminue la pression exercée par les forces exercées entre les molécules à une altitude supérieure.
Cela se produit également parce que les molécules ont moins de poids elles-mêmes, car elles sont moins lourdes du fait de la gravité à haute altitude. Cela explique pourquoi certains aliments prennent plus de temps à cuire à haute altitude car ils ont besoin de plus de chaleur ou d'une température plus élevée pour exciter les molécules de gaz qu'ils contiennent.
Les altimètres d'aéronef, des instruments qui mesurent l'altitude, en tirent parti en mesurant la pression et en utilisant cette estimation pour estimer l'altitude, généralement en termes de niveau moyen de la mer (MSL). Le système de positionnement global (GPS) vous donne une réponse plus précise en mesurant la distance réelle au-dessus du niveau de la mer.
Unités de densité
Les scientifiques et les ingénieurs utilisent principalement les unités SI pour la densité en kg / m3. D'autres utilisations peuvent être plus applicables en fonction du cas et de l'objectif. Des densités plus faibles telles que celles des oligo-éléments dans des objets solides tels que l'acier peuvent généralement être exprimées plus facilement en utilisant des unités de g / cm3. Les autres unités possibles de densité incluent kg / L et g / mL.
N'oubliez pas que lors de la conversion entre différentes unités pour la densité, vous devez prendre en compte les trois dimensions du volume en tant que facteur exponentiel si vous devez modifier les unités pour le volume.
Par exemple, si vous vouliez convertir 5 kg / cm3 en kg / m3, vous multiplieriez 5 par 1003, pas seulement 100, pour obtenir le résultat de 5 x 106 kg / m3.
Les autres conversions pratiques incluent 1 g / cm3 = .001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 et 1 g / mL = 1000 kg / m3. Ces relations montrent la polyvalence des unités de densité pour la situation souhaitée.
Aux États-Unis, vous pouvez être plus habitué à utiliser des unités telles que les pieds ou les livres au lieu de mètres ou de kilogrammes, selon les normes habituelles d’unités. Dans ces scénarios, vous pouvez vous rappeler des conversions utiles telles que 1 oz / in.3 = 108 lb / ft31 lb / gal ≈ 7,48 lb / pi3 et 1 lb / yd3 37 0.037 lb / ft3. Dans ces cas, ≈ fait référence à une approximation car ces nombres pour la conversion ne sont pas exacts.
Ces unités de densité peuvent vous donner une meilleure idée de la façon de mesurer la densité de concepts plus abstraits ou nuancés tels que la densité énergétique des matériaux utilisés dans les réactions chimiques. Cela pourrait être la densité énergétique des carburants utilisés par les voitures lors de l'allumage ou la quantité d'énergie nucléaire pouvant être stockée dans des éléments tels que l'uranium.
La comparaison de la densité de l'air à la densité des lignes de champ électrique autour d'un objet chargé électriquement, par exemple, peut vous donner une meilleure idée de la façon d'intégrer des quantités sur différents volumes.