Что такое плотность? Какие факторы влияют на нее? Плотность воздуха: описание
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
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
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 (м 3 ).
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.
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.
В следующей таблице показана зависимость плотности воздуха от температуры при 1 атм или 101,325 кПа:
Влияние температуры на свойства воздуха
Температура T ( ° C )
Скорость звука c ( м / с )
Плотность воздуха ρ ( кг / м 3 )
Характеристический удельный акустический импеданс z0 ( Па · с / м )
35 год
351,88
1,1455
403,2
30
349,02
1,1644
406,5
25
346,13
1,1839
409,4
20
343,21
1,2041
413,3
15
340,27
1,2250
416,9
10
337,31
1,2466
420,5
5
334,32
1,2690
424,3
0
331,30
1,2922
428,0
−5
328,25
1,3163
432,1
−10
325,18
1,3413
436,1
−15
322,07
1,3673
440,3
−20
318,94
1,3943
444,6
−25
315,77
1,4224
449,1
Влажный воздух [ править ]
Добавление водяного пара к воздуху (делая воздух влажным) снижает плотность воздуха, что на первый взгляд может показаться нелогичным. Это происходит потому, что молярная масса воды (18 г / моль) меньше молярной массы сухого воздуха [примечание 2] (около 29 г / моль). Для любого идеального газа при данной температуре и давлении количество молекул постоянно для определенного объема (см. Закон Авогадро ). Поэтому, когда молекулы воды (водяной пар) добавляются к заданному объему воздуха, молекулы сухого воздуха должны уменьшаться на такое же число, чтобы давление или температура не увеличивались. Следовательно, масса единицы объема газа (его плотность) уменьшается.
ρ h u m i d a i r = p d R d T + p v R v T = p d M d + p v M v R T <\displaystyle \rho _<\,\mathrm
air> >=<\frac >T>>+<\frac >T>>=<\frac M_+p_M_>
См. Давление водяного пара для других уравнений.
Вариация с высотой [ править ]
Тропосфера [ править ]
p = p 0 ( 1 − L h T 0 ) g M / R L <\displaystyle p=p_<0>\left(1-<\frac >>\right)^>
Затем можно рассчитать плотность в соответствии с молярной формой закона идеального газа :
ρ = p M R T = p M R T 0 ( 1 − L h / T 0 ) = p 0 M R T 0 ( 1 − L h T 0 ) g M / R L − 1 <\displaystyle \rho =<\frac
Обратите внимание, что плотность у земли равна ρ 0 = p 0 M R T 0 <\displaystyle \rho _<0>=<\frac M>>>>
Несложно проверить, что выполняется уравнение гидростатики :
Экспоненциальное приближение [ править ]
Поскольку температура изменяется с высотой внутри тропосферы менее чем на 25%, можно приблизительно указать: L h T 0 0.25 <\displaystyle <\frac >>
ρ = ρ 0 e ( g M R L − 1 ) ⋅ l n ( 1 − L h T 0 ) ≈ ρ 0 e − ( g M R L − 1 ) L h T 0 = ρ 0 e − ( g M h R T 0 − L h T 0 ) <\displaystyle \rho =\rho _<0>e^<(<\frac >-1)\cdot ln(1-<\frac >>)>\approx \rho _<0>e^<-(<\frac >-1)<\frac >>>=\rho _<0>e^<-(<\frac >>-<\frac >>)>>
1 H n = g M R T 0 − L T 0 <\displaystyle <\frac <1>>>=<\frac >>-<\frac >>>
Что дает H n = 10,4 км.
Давление можно аппроксимировать другим показателем:
p = p 0 e ( g M R L ) ⋅ l n ( 1 − L h T 0 ) ≈ p 0 e − g M R L L h T 0 = p 0 e − g M h R T 0 <\displaystyle p=p_<0>e^<(<\frac >)\cdot ln(1-<\frac >>)>\approx p_<0>e^<-<\frac ><\frac >>>=p_<0>e^<-<\frac >>>>
Что идентично изотермическому раствору, с тем же масштабом высоты H p = RT 0 / gM. Обратите внимание, что уравнение гидростатики больше не выполняется для экспоненциального приближения (если не пренебречь L).
H p составляет 8,4 км, но для разных газов (измерение их парциального давления) оно снова отличается и зависит от молярной массы, давая 8,7 для азота, 7,6 для кислорода и 5,6 для диоксида углерода.
Общее содержание [ править ]
1 − p ( h = 11 k m ) p 0 = 1 − ( T ( 11 k m ) T 0 ) g M / R L = 76 % <\displaystyle 1-<\frac>>=1-\left(<\frac>>\right)^=76\%>
Тропопауза [ править ]
20 км) и составляет 220 К. Это означает, что в этом слое L = 0 и Т = 220 К, так что экспоненциальное падение происходит быстрее, при H TP = 6,3 км для воздуха (6,5 для азота, 5,7 для кислорода и 4,2 для углекислого газа). И давление, и плотность подчиняются этому закону, поэтому, обозначив высоту границы между тропосферой и тропопаузой как U:
p = p ( U ) ⋅ e − ( h − U ) / H T P = p 0 ( 1 − L U T 0 ) g M / R L ⋅ e − ( h − U ) / H T P <\displaystyle p=p(U)\cdot e^<-(h-U)/H_>=p_<0>\left(1-<\frac >>\right)^\cdot e^<-(h-U)/H_>> ρ = ρ ( U ) e − ( h − U ) / H T P = ρ 0 ( 1 − L U T 0 ) g M / R L − 1 e − ( h − U ) / H T P <\displaystyle \rho =\rho (U)e^<-(h-U)/H_>=\rho _<0>\left(1-<\frac >>\right)^e^<-(h-U)/H_>>
Состав [ править ]
Объемный состав сухой атмосферы [▽ примечание 1]
Газ(и другие)
Громкость по разным [15] [▽ примечание 2]
Том CIPM-2007 [16]
Том ASHRAE [17]
Том Шлаттера [18]
Том ИКАО [19]
Объем по стандарту US StdAtm76 [20]
ppmv [▽ примечание 3]
процентиль
ppmv
процентиль
ppmv
процентиль
ppmv
процентиль
ppmv
процентиль
ppmv
процентиль
Азот
(N 2 )
780 800
(78,080%)
780 848
(78,0848%)
780 818
(78,0818%)
780 840
(78,084%)
780 840
(78,084%)
780 840
(78,084%)
Кислород
(O 2 )
209 500
(20,950%)
209 390
(20,9390%)
209 435
(20,9435%)
209 460
(20,946%)
209 476
(20,9476%)
209 476
(20,9476%)
Аргон
(Ar)
9,340
(0,9340%)
9,332
(0,9332%)
9,332
(0,9332%)
9,340
(0,9340%)
9,340
(0,9340%)
9,340
(0,9340%)
Углекислый газ
(CO 2 )
397,8
(0,03978%)
400
(0,0400%)
385
(0,0385%)
384
(0,0384%)
314
(0,0314%)
314
(0,0314%)
Неон
(Ne)
18,18
(0,001818%)
18,2
(0,00182%)
18,2
(0,00182%)
18,18
(0,001818%)
18,18
(0,001818%)
18,18
(0,001818%)
Гелий
(Он)
5,24
(0,000524%)
5.2
(0,00052%)
5.2
(0,00052%)
5,24
(0,000524%)
5,24
(0,000524%)
5,24
(0,000524%)
Метан
(CH 4 )
1,81
(0,000181%)
1.5
(0,00015%)
1.5
(0,00015%)
1,774
(0,0001774%)
2
(0,0002%)
2
(0,0002%)
Криптон
(Kr)
1.14
(0,000114%)
1.1
(0,00011%)
1.1
(0,00011%)
1.14
(0,000114%)
1.14
(0,000114%)
1.14
(0,000114%)
Водород
(H 2 )
0,55
(0,000055%)
0,5
(0,00005%)
0,5
(0,00005%)
0,56
(0,000056%)
0,5
(0,00005%)
0,5
(0,00005%)
Оксид азота
(N 2 O)
0,325
(0,0000325%)
0,3
(0,00003%)
0,3
(0,00003%)
0,320
(0,0000320%)
0,5
(0,00005%)
—
—
Монооксид углерода
(CO)
0,1
(0,00001%)
0,2
(0,00002%)
0,2
(0,00002%)
—
—
—
—
—
—
Ксенон
(Хе)
0,09
(0,000009%)
0,1
(0,00001%)
0,1
(0,00001%)
0,09
(0,000009%)
0,087
(0,0000087%)
0,087
(0,0000087%)
Диоксид азота
(НЕТ 2 )
0,02
(0,000002%)
—
—
—
—
—
—
до 0,02
до (0,000002%)
—
—
Йод
(I 2 )
0,01
(0,000001%)
—
—
—
—
—
—
до 0,01
до (0,000001%)
—
—
Аммиак
(NH 3 )
след
след
—
—
—
—
—
—
—
—
Диоксид серы
(SO 2 )
след
след
—
—
—
—
—
—
до 1,00
до (0,0001%)
—
—
Озон
(O 3 )
От 0,02 до 0,07
[▽ примечание 4] [▽ примечание 5]
[▽ примечание 4] [▽ примечание 5]
—
—
Следите за 30 ppm [▽ примечание 6]
(—-)
—
—
—
—
2,9
(0,00029%)
—
—
—
—
—
—
Общий сухой воздух
(воздуха)
1 000 065 265
(100,0065265%)
999 997 100
(99,9997100%)
1 000 000 000
(100,0000000%)
1 000 051,404
(100,0051404%)
999 998 677
(99,9998677%)
1 000 080,147
(100,0080147%)
Не входит в вышеуказанную сухую атмосферу:
Водяной пар
(H 2 O)
0,25% по массе в атмосфере, местами 0,001% –5% по объему. [21]
Что такое плотность воздуха и чему она равна при нормальных условиях?
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.
Содержание
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).
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 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.
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: http://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.
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»
Еще интересные статьи:
3 отзыва на статью“ Что такое плотность воздуха и чему она равна при нормальных условиях? ”
Удельный вес воздуха равен нулю! Ваши опыты по определению удельного веса-плотности воздуха не выдерживают никакой критики! Вы просто затуманиваете мозги детей! Чтобы определить вес колбы без воздуха, весы с колбой необходимо поместить под колпак(колокол) и так же как вы откачали воздух из колбы откочать его из под колпака(колокола). Тогда ваши весы покажут, что вес колбы с воздухом и без него одинаковый. И Удельный вес воздуха равен нулю! Можно замерить вес воздуха с помощью полиэтиленовых мешков. В один мешок наберите воздух а в другой нет. Подвесте оба мешка на рычажные весы и вы убедитесь еще раз в том что вес мешка с воздухом и без него одинаковый. Следовательно возду в воздухе ничего не весит! А Удельный вес воздуха равен нулю!
Вы знаете, еще Галилей установил, что у воздуха есть вес. Это учебник физики за 7 класс. Все правильно в статье.
Воздух имеет вес. И массу. На несогласного можно подуть из шланга с компрессора.
