Плотность воздуха: виды, формула, расчет онлайн, зависимость от других параметров

Плотность воздуха показывает, сколько весит 1 кубический метр газа. При нормальных условиях в расчетах принимают плотность 1,2 кг/м³. Но в зависимости от других параметров воздуха его плотность может изменяться в диапазоне от 0,9 кг/м³ до 1,4 кг/м³. В этой статье мы подробно рассмотрим, когда и какие формулы и значения следует применять.

Расчет плотности воздуха на калькуляторе онлайн

Самый точный способ определить плотность воздуха – воспользоваться нашим онлайн-калькулятором. Он учитывает большинство параметров воздуха, таких как температура, давление, высота над уровнем моря и относительная влажность.

[calc-air-density]

После указания исходных данных вы можете сохранить ссылку на результаты расчета. Для этого нажмите кнопку «Копировать» в нижней части онлайн-калькулятора. По этой ссылке всегда будет доступен расчет плотности именно для тех данных, которые вы указали.

Формула плотности воздуха

Найти плотность воздуха можно при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона:

ρ = p · M / (R · T), где

• p – атмосферное давление (нормальное значение 101 325 Па),
• M – молярная масса (29 г/моль, если точнее то 28,98 г/моль),
• R – газовая постоянная 8,314 Дж/(моль·К),
• Т – температура воздуха в Кельвинах (К), что на 273° больше, чем в Цельсиях.

Величину R/M называют газовой постоянной для воздуха. Она равна 283 Дж/(кг·К):

• R/M = 8,314/29 = 0,287 Дж/(г·К) = 286,7 Дж/(кг·К)

Тогда формулу для плотности сухого воздуха в зависимости от давления и температуры можно записать следующим образом:

• ρ = p / (287 · T)

Главное – помнить, что температура должна быть выражена в Кельвинах (273,16 + °С). Например, если подставить нормальное давление (101 325 Па) и температуру 0°С, то получим:

• При 0°С: ρ = 101 325 / (286,9·273,16) = 1,293 кг/м³
• При 20°С: ρ = 101 325 / (286,9·293,16) = 1,2047 кг/м³

Плотность воздуха в различных единицах

Обычно плотность измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м³). И тогда в формулы подставляют значение 1,2кг/м³. Это соответствует единицам измерения таблице СИ.

Но иногда вам может понадобиться значение плотности, выраженное в других единицах:

Другие виды плотности воздуха

Помимо обычно плотности и её зависимости от температуры, влажности и давления часто говорят о молярной и удельной плотности, а также о плотности внутреннего и наружного воздуха. Рассмотрим эти понятия подробнее.

Молярная

На самом деле такого понятия, как молярная плотность воздуха не существует. Чаще всего речь идет о молярной массе. Она равна 29,98г/моль, но её обычно округляют до 29 г/моль.

Рассчитывается молярная масса воздуха следующим образом:

Молярная масса любого вещества равна массе атомов, в ходящих в его состав. В состав воздуха входит 75% азота и 25% кислорода. Атомная масса азота (N₂) равна 28г/моль. Атомная масса кислорода (О₂) равна 32 г/моль. Учитывая состав воздуха, получим:

• Молярная масса воздуха = 75%*28 + 25%*32 = 29г/моль.

Более точное значение – 28,98 г/моль.

Если вы забыли молярную массу воздуха, то её можно легко вычислить в уме, зная молярные массы азота и кислорода. Рассуждения следующие:

Если бы воздуха состоял только из азота, его молярная масса была бы равна 28 г/моль. Но ¼ воздуха – это кислород, молярная масса которого на 4 г/моль больше. Значит, к 28 надо добавить ¼ от 4 г/моль. Получится как раз 29 г/моль.

Удельная

Удельной плотности воздуха тоже не существует. Здесь обычно речь идет об удельной массе, а это и есть обычная плотность. При нормальных условиях (1 атм. и +20°С) принимают значение 1.2041 кг/м³ или просто 1,2 кг/м³.

Плотность наружного воздуха

Плотность воздуха практически не зависит от того, наружный это воздух или нет. Формула ρ=p·M/(R·T), где

• p – атмосферное давление,
• M – молярная масса (29 г/моль),
• R – газовая постоянная 8,314 Дж/(моль·К),
• Т – температура воздуха в Кельвинах (К)

одинакова для любого газа.

Но всё-таки небольшая разница возможна. Наружный воздух в городах обычно сильнее загрязнен, в нем больше примесей, и его молярная масса за счет наличия тяжелых загрязняющих газов выше. Кроме того, в нем может быть меньше кислорода (О₂, молярная масса 32 г/моль) и больше углекислого газа (СО₂, молярная масса 46 г/моль).

В итоге из-за повышенной загрязненности плотность наружного воздуха в городах может быть на 0-2% выше, чем при нормальных условиях 1,2 кг/м³.

С другой стороны, в лесу и на природе загрязнителей нет, углекислота тоже отсутствует, а кислорода больше. В итоге плотность будет близка или даже чуть ниже нормальной (1,2 кг/м³).

Плотность воздуха в помещении (внутреннего)

Здесь также всё зависит от состава воздуха и степени его свежести. В квартирах, домах и помещениях обычно меньше загрязнений, чем на улицах города, особенно если в приточной вентиляции предусмотрен фильтр.

Но в помещениях есть другая беда – их редкое проветривание, в результате чего возрастает доля углекислого газа, молярная масса которого выше, чем у воздуха (см. выше). В итоге плотность должна постепенно возрастать…

Но на практике этого не случается, так как с ростом СО₂ также увеличивается относительная влажность, а иногда и температура внутреннего воздуха. Оба фактора – за снижение плотности, и они имеют более сильный вес. В итоге плотность воздуха в помещении обычно ниже нормальной и находится на уровне 1,18...1,19 кг/м³.

Плотность при изменении температуры, давления, влажности

Каждый из параметров – температура, давление и высота над уровнем моря, влажность – оказывает влияние на плотность воздуха. При их изменении плотность может меняться аж в 1,5 раза: примерно от 0,9 до 1,4 кг/м³. Эти зависимости подробно освещены в отдельных статьях:

• Плотность воздуха при разных температурах
• Плотность воздуха при разном атмосферном давлении
• Плотность воздуха на разных высотах над уровнем моря
• Плотность воздуха при разной относительной влажности

Наибольший вклад в изменение плотности вносит температура. Так, при -20°С плотность воздуха составляет порядка 1,4 кг/м³, а при +30°С – 1,16 кг/м³, то есть изменяется на 20%.

При пониженном атмосферном давлении плотность воздуха примерно на 2% ниже нормы, при повышенном – на 2% выше нормы.

Каждые 100 метров над уровнем моря плотность воздуха снижается примерно на 1%. На высоте 1км разница уже 10%, на высоте 2км достигает 20%.

Влажность воздуха оказывает влияние на плотность только при относительно высоких температурах, причем чем выше температура, тем сильнее ошибка. Например, при температуре 0°С разница по плотности между влажностью 0% и 100% ничтожно мала и составляет всего 0,2%. При 20°С – около 1%. При 40°С – 3%, а при 100°С – почти 40%.