Isi
Meskipun mungkin tampak seperti tidak ada apa-apa, udara di sekitar Anda memiliki kepadatan. Kepadatan udara dapat diukur dan dipelajari untuk fitur-fitur fisika dan kimia seperti berat, massa atau volumenya. Para ilmuwan dan insinyur menggunakan pengetahuan ini dalam menciptakan peralatan dan produk yang memanfaatkan tekanan udara saat menggembungkan ban, memasukkan material melalui pompa isap dan membuat segel yang kedap udara.
Formula Kepadatan Udara
Formula kepadatan udara yang paling mendasar dan mudah adalah dengan membagi massa udara dengan volumenya. Ini adalah definisi standar kepadatan ρ = m / V untuk kepadatan ρ ("rho") umumnya dalam kg / m3, massa m dalam kg dan volume V dalam m3. Misalnya, jika Anda memiliki 100 kg udara yang mengambil volume 1 m3, kepadatannya 100 kg / m3.
Untuk mendapatkan gambaran yang lebih baik tentang kerapatan udara secara khusus, Anda perlu memperhitungkan bagaimana udara dibuat dari gas yang berbeda saat memformulasikan kerapatannya. Pada suhu, tekanan dan volume konstan, udara kering biasanya terbuat dari 78% nitrogen (N2), 21% oksigen (HAI2) dan satu persen argon (Ar).
Untuk memperhitungkan efek yang dimiliki molekul-molekul ini terhadap tekanan udara, Anda dapat menghitung massa udara sebagai jumlah nitrogen masing-masing dua atom dari 14 unit atom, oksigen masing-masing dua atom dari 16 unit atom dan argon atom tunggal dari 18 unit atom .
Jika udara tidak benar-benar kering, Anda juga dapat menambahkan beberapa molekul air (H2HAI) yang merupakan dua unit atom untuk dua atom hidrogen dan 16 unit atom untuk atom oksigen tunggal. Jika Anda menghitung berapa banyak massa udara yang Anda miliki, Anda dapat mengasumsikan bahwa konstituen kimia ini didistribusikan secara seragam dan kemudian menghitung persentase komponen kimia ini di udara kering.
Anda juga dapat menggunakan bobot spesifik, rasio bobot terhadap volume dalam menghitung kepadatan. Berat spesifik γ ("gamma") diberikan oleh persamaan γ = (m * g) / V = ρ * g yang menambahkan variabel tambahan g sebagai konstanta percepatan gravitasi 9,8 m / s2. Dalam hal ini, produk akselerasi massa dan gravitasi adalah berat gas, dan membagi nilai ini dengan volume V dapat memberitahu Anda berat spesifik gas.
Kalkulator Kepadatan Udara
Kalkulator kepadatan udara online seperti yang dilakukan oleh Engineering Toolbox memungkinkan Anda menghitung nilai teoritis untuk kepadatan udara pada suhu dan tekanan tertentu. Situs web ini juga menyediakan tabel nilai kepadatan udara pada suhu dan tekanan yang berbeda. Grafik-grafik ini menunjukkan bagaimana kepadatan dan berat jenis berkurang pada nilai suhu dan tekanan yang lebih tinggi.
Anda dapat melakukan ini karena hukum Avogadros, yang menyatakan, "volume yang sama dari semua gas, pada suhu dan tekanan yang sama, memiliki jumlah molekul yang sama." Untuk alasan ini, para ilmuwan dan insinyur menggunakan hubungan ini dalam menentukan suhu, tekanan atau kepadatan ketika mereka mengetahui informasi lain tentang volume gas yang mereka pelajari.
Kelengkungan grafik-grafik ini berarti ada hubungan logaritmik antara jumlah-jumlah ini. Anda dapat menunjukkan bahwa ini cocok dengan teori dengan mengatur ulang hukum gas ideal: PV = mRT untuk tekanan P, volume V, massa gas m, konstanta gas R (0.167226 J / kg K) dan suhu T mendapatkan ρ = P / RT di mana ρ adalah kepadatan dalam satuan m / V massa / volume (kg / m3). Perlu diingat versi hukum gas ideal ini menggunakan R konstanta gas dalam satuan massa, bukan mol.
Variasi hukum gas ideal menunjukkan bahwa, ketika suhu meningkat, kepadatan meningkat secara logaritmis karena 1 / T sebanding dengan ρ. Hubungan terbalik ini menggambarkan kelengkungan grafik kerapatan udara dan tabel kerapatan udara.
Kepadatan Udara vs Ketinggian
Udara kering dapat jatuh di bawah salah satu dari dua definisi. Itu bisa udara tanpa jejak air di dalamnya atau itu bisa udara dengan kelembaban relatif rendah, yang dapat diubah pada ketinggian yang lebih tinggi. Tabel kepadatan udara seperti yang ada di Omnicalculator menunjukkan bagaimana kepadatan udara berubah sehubungan dengan ketinggian. Omnicalculator juga memiliki kalkulator untuk menentukan tekanan udara pada ketinggian tertentu.
Saat ketinggian meningkat, tekanan udara berkurang terutama karena tarikan gravitasi antara udara dan bumi. Ini karena tarikan gravitasi antara bumi dan molekul-molekul udara berkurang, mengurangi tekanan gaya-gaya antar molekul ketika Anda pergi ke ketinggian yang lebih tinggi.
Ini juga terjadi karena molekul memiliki berat yang lebih sedikit karena berat yang lebih kecil akibat gravitasi pada ketinggian yang lebih tinggi. Ini menjelaskan mengapa beberapa makanan membutuhkan waktu lebih lama untuk memasak ketika pada ketinggian yang lebih tinggi karena mereka akan membutuhkan lebih banyak panas atau suhu yang lebih tinggi untuk merangsang molekul gas di dalamnya.
Altimeter pesawat, instrumen yang mengukur ketinggian, manfaatkan ini dengan mengukur tekanan dan menggunakannya untuk memperkirakan ketinggian, biasanya dalam hal MSL. Sistem posisi global (GPS) memberi Anda jawaban yang lebih tepat dengan mengukur jarak aktual di atas permukaan laut.
Unit Kepadatan
Para ilmuwan dan insinyur sebagian besar menggunakan unit SI untuk kepadatan kg / m3. Penggunaan lain mungkin lebih berlaku berdasarkan kasus dan tujuan. Kepadatan yang lebih kecil seperti elemen jejak pada benda padat seperti baja umumnya dapat diekspresikan lebih mudah menggunakan satuan g / cm3. Unit kepadatan lain yang mungkin termasuk kg / L dan g / mL.
Perlu diingat, saat mengkonversi antara satuan yang berbeda untuk kepadatan, Anda perlu memperhitungkan tiga dimensi volume sebagai faktor eksponensial jika Anda perlu mengubah satuan untuk volume.
Misalnya, jika Anda ingin mengkonversi 5 kg / cm3 hingga kg / m3, Anda akan mengalikan 5 dengan 1003, bukan hanya 100, untuk mendapatkan hasil 5 x 106 kg / m3.
Konversi praktis lainnya termasuk 1 g / cm3 = 0,001 kg / m3, 1 kg / L = 1000 kg / m3 dan 1 g / mL = 1000 kg / m3. Hubungan-hubungan ini menunjukkan keserbagunaan unit kepadatan untuk situasi yang diinginkan.
Di Amerika Serikat standar unit, Anda mungkin lebih terbiasa menggunakan unit seperti kaki atau pound daripada meter atau kilogram, masing-masing. Dalam skenario ini, Anda dapat mengingat beberapa konversi yang bermanfaat seperti 1 oz / in3 = 108 lb / ft3, 1 lb / gal ≈ 7,48 lb / ft3 dan 1 lb / tahun3 ≈ 0,037 lb / ft3. Dalam kasus ini, ≈ merujuk pada perkiraan karena angka-angka ini untuk konversi tidak tepat.
Unit kepadatan ini dapat memberi Anda ide yang lebih baik tentang bagaimana mengukur kerapatan konsep yang lebih abstrak atau bernuansa seperti kerapatan energi bahan yang digunakan dalam reaksi kimia. Ini bisa menjadi kepadatan energi bahan bakar yang digunakan mobil dalam pengapian atau berapa banyak energi nuklir yang dapat disimpan dalam elemen seperti uranium.
Membandingkan kerapatan udara dengan kerapatan garis medan listrik di sekitar benda bermuatan listrik, misalnya, dapat memberi Anda gagasan yang lebih baik tentang cara mengintegrasikan jumlah pada volume yang berbeda.