چگالی هوا چقدر است؟

از این ماشین حساب چگالی هوا استفاده کنید تا فوراً متوجه شوید که مولکول های یک جسم چقدر فشرده هستند و به شما امکان می دهد تخمین بزنید$\rho$بر اساس شرایط دما و فشار محلی این مقدار برای بسیاری از محاسبات بیشتر، مانند تعیین نیروهای پسای آیرودینامیکی یا عملکرد توربین‌های بادی، حیاتی است. به خواندن ادامه دهید تا درک بهتری از رابطه بین آب و هوای محلی و ρ بدست آورید و یاد بگیرید که چه سطوح چگالی هوا را می توانید در مناطق مختلف انتظار داشته باشید.

چگالی هوا به عوامل زیادی بستگی دارد و می تواند در مکان های مختلف متفاوت باشد. عمدتاً با دما، رطوبت نسبی، فشار و در نتیجه با ارتفاع تغییر می کند (به جدول چگالی هوا در زیر نگاهی بیندازید). فشار هوا می تواند به وزن هوا در یک مکان معین مربوط باشد. به راحتی می توان تصور کرد که هر چه بالاتر بایستید، هوای کمتری بالای سر شما قرار می گیرد و فشار کمتری می شود. بنابراین فشار هوا با افزایش ارتفاع کاهش می یابد . در متن زیر متوجه خواهید شد که چگالی هوا در سطح دریا چقدر است و چگالی هوای استاندارد چقدر است .

برای هوای خشک، چگالی آن در سطح دریا در 59 °F (15 °C)و 14.7 psi (1013.25 hPa)(میانگین فشار سطح دریا) تقریباً برابر است 0.0765 lb/(cu ft) (1.225 kg/(m^3)). اگر دما، رطوبت یا ارتفاع هوا (و در نتیجه فشار) را تغییر دهید، چگالی هوا نیز تغییر خواهد کرد.

به عنوان یک قاعده کلی، می توانید انتظار کاهش آن را داشته باشید0.0022-0.0023 لبجتو fتی (0.035-0.036 کgمتر3)0.0022–0.0023 مس فوتپوندرا ( 0.035–0.036 متر3کیلوگرمرا)مطابق$1000\text{ فوت}$تغییر ارتفاع

چگالی هوا معمولا با حرف یونانی rho یا ρ نشان داده می شود و جرم هوا را در واحد حجم اندازه گیری می کند (به عنوان مثال g/m ³ ). هوای خشک بیشتر از نیتروژن تشکیل شده است ($\sim 78\%$) و اکسیژن ($\sim 21\%$). باقیمانده$1\%$حاوی گازهای مختلفی از جمله آرگون، دی اکسید کربن، نئون یا هلیوم است. با این حال، هنگامی که بخار آب ظاهر می شود، هوا دیگر هوای خشک نخواهد بود.

هوا به عنوان مخلوطی از گازها چگالی ثابتی ندارد. این مقدار تا حد زیادی به ترکیب هوا بستگی دارد. اکثر اجزا دارای چگالی مشابه هستند و به طور قابل توجهی بر چگالی کلی تأثیر نمی گذارند. یک استثناء بخار آب است. هر چه بخار آب در هوا بیشتر باشد، چگالی آن کمتر است.

برای یافتن چگالی هوا در هر مکان معین، به برخی از پارامترهای اساسی آب و هوا نیاز دارید. معمولاً می توانید آنها را در وب سایت ایستگاه های هواشناسی محلی خود پیدا کنید.

• فشار هوا. فشار هوا بر حسب hPa بیان می شود. اگر مکان تجزیه و تحلیل شده در ارتفاع بالا است، می توانید از ماشین حساب فشار هوا در ارتفاع ما برای تعیین مقدار دقیق تری برای این پارامتر استفاده کنید.
• دمای هوا. این به سادگی دمای بیرون بر حسب درجه سانتیگراد است.
• رطوبت نسبی یا نقطه شبنم. ماشین حساب چگالی هوای ما می تواند از یکی از این مقادیر برای محاسبه دیگری استفاده کند، یا می توانید از ماشین حساب نقطه شبنم ما نیز استفاده کنید . نقطه شبنم دمایی است که در زیر آن بخار آب شروع به متراکم شدن می کند، بر حسب درجه سانتی گراد.

روش یافتن چگالی هوا بسیار ساده است. شما باید فشار وارد شده توسط هوا را به دو فشار جزئی تقسیم کنید: فشار هوای خشک و بخار آب. ترکیب این دو مقدار پارامتر مورد نظر را به شما می دهد.

1. فشار بخار اشباع را در دمای معین محاسبه کنید$تی$با استفاده از فرمول:
   پ1=6.1078⋅107.5تیتی+237.3پ1را=6.1078⋅1 0T + 237.37.5 Tرا
   جایی که$تی$بر حسب درجه سانتیگراد اندازه گیری می شود. فشار بخار اشباع فشار بخار در رطوبت نسبی 100٪ است (ماشین حساب ما از معادله دقیق تر، اما همچنین بسیار پیچیده تری استفاده می کند که نمی خواستیم اینجا نشان دهیم. اگر کنجکاو هستید، “FUNCTION ESW(T)” را در لینک ارائه شده).
2. فشار بخار واقعی را با ضرب فشار بخار اشباع در رطوبت نسبی بیابید:
   پ�=پ1⋅RHپvرا=پ1را⋅RH.
3. فشار بخار را از فشار کل هوا کم کنید تا فشار هوای خشک را بدست آورید:
   پد=پ-پ�پدرا=پ–پvرا.
4. مقادیر محاسبه شده را در فرمول زیر وارد کنید:

جایی که:

• پدپدرافشار هوای خشک بر حسب Pa است.
• پ�پvرافشار بخار آب بر حسب Pa است.
• $تی$دمای هوا در کلوین است;
• آردآردراثابت گاز مخصوص هوای خشک برابر با 287.058 J/(kg·K) است. و
• آر�آرvراثابت گاز مخصوص بخار آب برابر با 461.495 J/(kg·K) است.

تعریف اولیه چگالی هوا بسیار شبیه به تعریف کلی چگالی است. به ما می گوید حجم معینی از هوا چقدر وزن دارد. می‌توانیم آن را با فرمول چگالی هوا بیان کنیم:

از معادله بالا، ممکن است مشکوک شوید که چگالی هوا یک مقدار ثابت است که خاصیت گاز خاصی را توصیف می کند. با این حال، چگالی هر ماده (جامد، مایع، گاز)، قوی‌تر یا ضعیف‌تر، نه تنها به ترکیب شیمیایی ماده ، بلکه به شرایط خارجی مانند فشار و دما نیز بستگی دارد.

به دلیل این وابستگی ها و این واقعیت که جو زمین حاوی گازهای مختلف (عمدتاً نیتروژن، اکسیژن، آرگون و بخار آب ) است، تعریف چگالی هوا نیاز به گسترش بیشتر دارد. اصلاح مناسبی در ماشین حساب چگالی هوا با فرمول چگالی هوا انجام شده است که در بخش “چگونه چگالی هوا را محاسبه کنیم؟”

به هر حال، می خواهیم به یک نکته جالب توجه کنیم. شما چی فکر میکنید؟ هوای مرطوب سنگین تر یا سبک تر از هوای خشک است؟ پاسخ صحیح ممکن است آنقدرها که در ابتدا فکر می کنید شهودی نباشد. در واقع هر چه بخار آب بیشتری به هوا اضافه کنیم چگالی آن کمتر می شود! شاید باور این موضوع برای شما سخت باشد، اما ما سعی خواهیم کرد با چند استدلال منطقی قانع کنیم.

ابتدا باید به قانون آووگادرو اشاره کنیم که بیان می کند

« حجم‌های مساوی از همه گازها، در دما و فشار یکسان، تعداد مولکول‌های یکسانی دارند. »

تصور کنید که هوای خشک را در ظرفی با حجم، دما و فشار ثابت قرار می دهید. هوای کاملا خشک از موارد زیر تشکیل شده است:

• 78% مولکول نیتروژن N2 که دارای دو اتم N با وزن اتمی 14 u (وزن کل 28 u) است.
• 21% مولکول اکسیژن O2 که دارای دو اتم O با وزن اتمی 16 u (وزن کل 32 u) است.
• 1% مولکول آرگون Ar ( Ar دارای یک اتم با وزن اتمی 39.8 u).

توجه داشته باشید که هر مولکول ذکر شده سنگین تر از 18 u یا برابر است. حال، بیایید چند مولکول بخار آب با وزن اتمی کل 18 u ( H2O – دو اتم هیدروژن 1 u و یک اکسیژن 16 u) به گاز اضافه کنیم. طبق قانون آووگادرو، تعداد کل مولکول ها در ظرف در شرایط یکسان (حجم، فشار، دما) یکسان می ماند. این بدان معناست که مولکول های بخار آب باید جایگزین نیتروژن، اکسیژن یا آرگون شوند . از آنجایی که مولکول های H2O از گازهای دیگر سبک تر هستند، جرم کل گاز کاهش می یابد و چگالی هوا نیز کاهش می یابد.

در قسمت های قبل، چند بار از اصطلاح هوای خشک استفاده کردیم. با این حال، در واقع به چه معناست؟ دو تعریف وجود دارد:

• رایج ترین تعریف هوا بدون بخار آب در داخل آن است . با این حال، هوای جو هرگز کاملاً خشک نیست زیرا همیشه مقداری آب دارد.
• تعریف واقعی‌تر دیگر می‌گوید که هوای خشک هوای با رطوبت نسبی کم و در نتیجه با نقطه شبنم کم است.

تقریب معروف نقطه شبنم تابع لگاریتمی رطوبت نسبی است. همانطور که می دانید، وقتی تابع لگاریتم به صفر نزدیک می شود، مقدار آن به منهای بی نهایت می رسد. بنابراین، نقطه شبنم برای رطوبت نسبی صفر وجود ندارد. با این حال، هنوز هم می توانید چگالی هوای خشک را با ماشین حساب چگالی هوا محاسبه کنید! فقط هوای خشک را در قسمت “نوع هوا” انتخاب کنید، جایی که نقطه شبنم/رطوبت نسبی را در محاسبات نادیده گرفته ایم.

برای درک بهتر اینکه چگونه دما و فشار بر چگالی هوا تأثیر می‌گذارند، اجازه دهید روی موردی از هوای خشک تمرکز کنیم. عمدتاً حاوی مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن است که با سرعتی باورنکردنی در حال حرکت هستند. از ماشین حساب سرعت ذرات ما استفاده کنید تا ببینید چقدر سریع می توانند حرکت کنند! به عنوان مثال، سرعت متوسط ​​یک مولکول نیتروژن با جرم 14 u (u – واحد جرم اتمی یکپارچه) در دمای اتاق حدود 670 متر بر ثانیه است – دو برابر سریعتر از سرعت صوت! علاوه بر این، در دماهای بالاتر، مولکول های گاز شتاب بیشتری می گیرند. در نتیجه، آنها به شدت به محیط اطراف فشار می آورند و حجم گاز را افزایش می دهند (این در ماشین حساب قانون گاز ایده آل توضیح داده شده است ). و هر چه حجم با همان مقدار ذرات بیشتر باشد، چگالی کمتری دارد. بنابراین، چگالی هوا با گرم شدن هوا کاهش می یابد .

اثر معکوس با فشار حاصل می شود. تصور کنید که یک سیلندر گاز با حجم ثابت دارید. افزایش فشار سیلندر به افزایش تعداد مولکول های داخل تبدیل می شود – چگالی هوا بیشتر می شود .

ارتفاع تاثیر قابل توجهی بر تراکم هوا دارد زیرا هرچه بالاتر می روید فشار و دما بیشتر می شود. در ارتفاعات، مقدار اکسیژن هوا در واحد حجم کمتر است، زیرا در مجموع هوای کمتری وجود دارد. بنابراین، اگر کوهنوردان تصمیم به رسیدن به قله‌های بلندترین کوه‌ها داشته باشند، معمولاً به یک سیلندر اکسیژن با ماسک نیاز دارند تا بتوانند نفس بکشند. این مشکل در هواپیماها ظاهر نمی‌شود، زیرا کابین‌ها برای حفظ چگالی هوا در داخل مانند سطح زمین تحت فشار هستند. برای درک چگونگی تغییر خواص هوا با ارتفاع، به جدول چگالی هوای زیر برای هوای خشک نگاهی بیندازید (داده‌ها از سرور گزارش فنی ناسا، جو استاندارد ایالات متحده، 1976 ). بنابراین، چگالی هوای خشک در 16000 فوت (5 کیلومتر) تقریباً دو برابر کمتر از چگالی در سطح دریا است .

واحد SI برای چگالی کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m³) است. با این حال، در برخی موارد استفاده از آن راحت تر است:

• گرم بر سانتی متر مکعب (g/c m³) ، 1 g/cm³ = 0.001 kg/m³;
• کیلوگرم در لیتر (کیلوگرم در لیتر) ، 1 کیلوگرم در لیتر = 1000 کیلوگرم در متر مکعب؛
• گرم در میلی لیتر (گرم در میلی لیتر) ، 1 گرم در میلی لیتر = 1000 کیلوگرم در متر مکعب.

انتخاب واحدها بستگی به شرایط دارد. گاهی حجم محفظه هوا را بر حسب لیتر می دانید، بار دیگر باید ابعاد آن را اندازه بگیرید تا حجم آن را بر حسب متر مکعب به دست آورید. با خیال راحت واحدها را در ماشین حساب چگالی هوا تغییر دهید!

همین امر در مورد چگالی هوا در واحدهای امپراتوری نیز صدق می کند. نمونه ای از این واحدها عبارتند از:

• پوند در فوت مکعب (پوند / فوت مکعب) ؛
• پوند در هر یارد مکعب (پوند/مکعب) , 1 پوند / متر مکعب ≈ 0.037 پوند / فوت مکعب.
• اونس در هر اینچ مکعب (اُنس/مکعب اینچ) ، 1 اونس/مکعب اینچ = 108 پوند بر فوت مکعب؛
• پوند در هر گالن (US) (پوند / گال آمریکا) ، 1 پوند / گال آمریکا ≈ 7.48 پوند / فوت مکعب.

از آنجایی که دما و فشار هوا از مکانی به مکان دیگر متفاوت است، باید شرایط هوای مرجع را تعریف کنیم. اخیراً تعاریف گوناگونی برای شرایط استاندارد (مثلاً در محاسبات فنی یا علمی) ارائه شده است. اگر در صنایع فنی، مهندسی یا شیمی تحصیل می کنید یا کار می کنید، همیشه باید بررسی کنید که نویسنده نشریه، مقاله یا کتاب از چه استانداردهایی استفاده کرده است . شما باید بدانید که منظور آنها از شرایط “استاندارد” چیست. استانداردها نه تنها به طور منظم تغییر می کنند ، بلکه توسط سازمان های مختلف نیز تنظیم می شوند (برخی حتی بیش از یک تعریف از شرایط مرجع استاندارد دارند). در لیست زیر می توانید چندین فشار مرجع استاندارد را بیابیدپ0پ0راو دماهاتی0تی0رادر استفاده فعلی (به یاد داشته باشید که تعداد بیشتری از آنها وجود دارد):

• اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC): دما و فشار استاندارد ( STP )،پ0=105 پاپ0را=1 05 پا،$تی=0درجه\text{سانتیگراد}$;
• موسسه استاندارد و فناوری (NIST): ISO 10780 ،پ0=1 دستگاه خودپردازپ0را=1  اتمسفر،$تی=0درجه\text{سانتیگراد}$;
• سازمان بین المللی هوانوردی غیرنظامی (ایکائو): جو استاندارد بین المللی ( ISA )،پ0=1 دستگاه خودپردازپ0را=1  اتمسفر،$تی=15درجه\text{سانتیگراد}$;
• آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA): دما و فشار معمولی ( NTP )،پ0=1 دستگاه خودپردازپ0را=1  اتمسفر،$تی=20درجه\text{سانتیگراد}$;
• اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی: دمای محیط و فشار استاندارد ( SATP )،پ0=105 پاپ0را=1 05 پا،$تی=25درجه\text{سانتیگراد}$.

بنابراین، اگر می خواهید به این سوال پاسخ دهید که چگالی استاندارد هوا چقدر است ، باید شرایط استاندارد مناسب را انتخاب کنید. با این فرض که رطوبت نسبی نسبتاً کم است (هوای خشک) می توانید آنها را با محاسبه گر چگالی هوا محاسبه کنید. به عنوان مثال، چگالی استاندارد هوا برای STP است�0=1.2754 کgمتر3ρ0را=1.2754 متر3کیلوگرمرا، برای NIST است�0=1.2923 کgمتر3ρ0را=1.2923 متر3کیلوگرمراو برای SATP است�0=1.1684 کgمتر3ρ0را=1.1684 متر3کیلوگرمرا.

فشار هوا یک ویژگی فیزیکی یک گاز است که به ما می‌گوید هنگام عمل بر روی محیط اطراف چقدر قدرت دارد. بیایید یک ظرف مکعبی (شکل زیر را ببینید) با مقداری هوا بسته در نظر بگیرید. بر اساس تئوری جنبشی گازها، مولکول های گاز با سرعتی که به انرژی حرارتی بستگی دارد در حرکت ثابت هستند . ذرات با یکدیگر و با دیواره های ظرف برخورد می کنند و نیروی کوچکی بر آنها وارد می کنند. با این حال، از آنجایی که تعداد مولکول‌های محصور به حدود ~10²³ می‌رسد (مرتببه قدر ثابت آووگادرو)، نیروی کل قابل‌توجه و قابل اندازه‌گیری می‌شود – این فشار است .

رطوبت نسبی$\text{RH}$به عنوان نسبت فشار جزئی بخار آب به فشار بخار تعادلی آب در دمای معین تعریف می شود. فشار جزئی فشار یک جزء از هوا است اگر به صورت جداگانه و در همان حجم و دمای کل گرفته شود. وقتی فشار جزئی همه گازهای موجود در هوا را جمع کنید، فشار کل آن را به دست خواهید آورد که می توانیم مستقیماً اندازه گیری کنیم:

فشار بخار تعادلی آب، فشاری است که توسط بخاری که در دمای معین با فاز مایع خود در تعادل ترمودینامیکی است، وارد می‌شود. این معیاری است از تمایل مولکول ها یا اتم ها برای فرار از سطح یک مایع و تبدیل شدن به گاز. با افزایش دما، فشار بخار تعادلی نیز افزایش می یابد.

رطوبت نسبی$\text{RH}$بین 0 تا 100 درصد است که 0 درصد به معنای هوای خشک است و 100 درصد هوایی است که کاملاً از بخار آب اشباع شده است. باید توجه داشته باشید که رطوبت نسبی 100 درصد به این معنی نیست که هوا فقط از آب تشکیل شده است. هنگامی که رطوبت نسبی 100٪ باشد، خنک شدن هوا باعث تراکم بخار آب می شود.

نقطه شبنم دمایی است که در آن بخار آب موجود در هوا به حالت اشباع می رسد. این یک کمیت فیزیکی است که به شدت با رطوبت هوا مرتبط است. وقتی هوا بیشتر از نقطه شبنم خنک شود، بخار آب متراکم می شود و آب – شبنم را تشکیل می دهد .

روش های مختلفی برای تقریب نقطه شبنم وجود دارد. ماشین حساب چگالی هوا ما از فرمول زیر استفاده می کند:

جایی که$\alpha$پارامتری است که به رطوبت نسبی بستگی دارد$\text{RH}$و دما$تی$:

رطوبت نسبی بر حسب درصد و دما بر حسب درجه سانتیگراد بیان می شود. از آنجایی که نقطه شبنم مستقیماً با رطوبت نسبی مرتبط است، باید تنها یکی از آن پارامترها را در ماشین حساب تراکم هوا وارد کنید.

بدن انسان از تبخیر عرق برای خنک شدن در یک روز گرم استفاده می کند. سرعت تبخیر تعریق بستگی به میزان رطوبت موجود در هوا دارد. اگر هوا از قبل اشباع شده باشد (رطوبت نسبی = 100%)، عرق تبخیر نمی شود و شما با عرق پوشیده می شوید. خوشبختانه وقتی هوا توسط باد از بدن شما خارج می شود، عرق سریعتر تبخیر می شود و احساس خنکی دلپذیری را در شما ایجاد می کند. همچنین ناراحتی زمانی ایجاد می شود که نقطه شبنم کم باشد (هوای خشک) که باعث می شود پوست ترک بخورد و راحت تر تحریک شود.

در جدول زیر، نقطه شبنم و (مرتبط با آن) رطوبت نسبی را در دمای 68 درجه فارنهایت (20 درجه سانتیگراد) مشاهده می کنید. نقطه شبنم نمی تواند بالاتر از دمای هوا باشد زیرا رطوبت نسبی نمی تواند از 100٪ تجاوز کند. از طرف دیگر، وقتی رطوبت نسبی برابر با 0 درصد باشد، می گوییم هوا یک هوای خشک است (نقطه شبنم به دلیل نبود آب هدف خود را از دست می دهد).

برای محاسبه چگالی هوای خشک مراحل زیر را دنبال کنید:

1. فشار مطلق هوا را بر حسب پاسکال (Pa) بنویسید .
2. دمای مطلق T را بر حسب کلوین (K) بنویسید .
3. برای بدست آوردن چگالی هوای خشک، پارامترهای فرمول زیر را جایگزین کنید: ρ = P/(R×T)که در آن R ثابت گاز مخصوص هوای خشک برابر با 287.058 J/(kg·K) است .

حدود 1.204 کیلوگرم بر متر مکعب . از آنجایی که چگالی هوای خشک را می توان ρ = P/(R×T)با R = 287.058 J/(kg·K), at 101325 Paو محاسبه کرد 20 °C = 293.15 K، به دست می آوریم: ρ = 101325 / (287.058 × 293.15) = 1.204 kg/m³.