Как температура влияет на плотность
Как температура влияет на плотность
Новый Эталон Килограмма
может в ближайшее время заменить устаревший платиново-иридиевый. »»»
Солнце Становится Ближе
получены изображения высокого разрешения Солнца с космической обсерватории Solar Dynamics Observatory. »»»
Человек «Искрививший» Время
Что за Очки у Будущего?
история создания, развития и будущее популярного оптического прибора. »»»
Масса m любого вещества равна его объему V, умноженному на его плотность р: m = V х p. Когда вещество нагревается, его масса m не изменяется. Поэтому, когда его объем увеличивается при возрастании температуры, его плотность должна уменьшаться. Это изменение плотности неособенно заметно в твердых телах, но оно весьма важно для жидкостей и газов (текучих), поскольку является причиной возникновения конвекционных потоков. Расширение U-образной трубки не должно приниматься во внимание при рассмотрении расширения жидкости.
В жидкостном манометре давление внизу трубки зависит лишь от высоты столбика жидкости и ее плотности (hpg), а не от количества жидкости в трубке. Таким образом, площадь поперечного сечения трубки не имеет значения.
Исследование. Продемонстрировать изменение плотности воды при ее замерзании
Поместите колбу, заполненную водой, с термометром и расширительной трубкой в большой лабораторный стакан и заполните окружающее ее пространство охлаждающей смесью льда и соли (см. рис.).
Через определенные промежутки времени снимайте показания температуры воды и ее уровня. Мениск будет виден лучше, если воду слегка подкрасить. Хорошо также иногда встряхивать колбу, чтобы происходило перемешивание. Постройте график зависимости показаний уровня воды от температуры. По мере уменьшения температуры уменьшается и объем воды до тех пор, пока температура не станет равной 4 °С.
С этого момента объем начинает увеличиваться, и, когда температура достигает 0 °С, происходит большое увеличение объема (вода даже может вылиться из трубки). Вывод состоит в том, что вода имеет минимальный объем при 4 °С.
Аномальное расширение воды
После этого объем увеличивается при нагревании до температуры 100°С, но не равномерно. Однако объем воды и при 100 °С все же меньше объема льда при 0 °С. При 100 °С вода превращается в пар, и ее объем при атмосферном давлении увеличивается в 1650 раз.
Неприятным последствием своеобразного поведения воды является разрыв водопроводных труб в большие холода. Когда вода при 0 °С превращается в лед, то объем увеличивается на 1/11. Это очень большое расширение, и возникает громадная сила, если нет пространства, которое требуется для этого расширения. В результате водопроводная труба может лопнуть или же будут разорваны соединения.
Некоторые считают, что водопроводные трубы разрываются во время оттепели. Фактически же трубы разрываются, когда вода в них замерзает, но сам разрыв незаметен явно до тех пор, пока вода не начнет вытекать из дыры во время оттепели.
Необходимо принять следующие предосторожности во время холодного периода:
Если вам рано утром в холодную погоду приносят молоко, то вы, может быть, замечали столбик застывших сливок, выступающих у горлышка бутылки, когда она наполнена доверху. Ясно, что если пробка легко не вынимается, то бутылка может лопнуть. Точно так же нужно быть осторожным, когда вы ставите в холодильник посуду с пищей, которая содержит много воды. В сосуде должно быть оставлено достаточно места для расширения замерзающей жидкости, иначе она может перелиться через край или же лопнет сам сосуд.
В природе встречаются явления, которые показывают, насколько большая сила действует при замерзании воды: под ее воздействием раскалываются камни и растрескивается почва. Когда зимой земля полита водой и она замерзает, то происходит значительное ее расширение, вследствие чего растрескивается почва. При высыхании почва крошится. Когда трещина в камне наполняется водой, то сначала она замерзает на поверхности, покрывает ее льдом. Если температура упадет достаточно низко, чтобы замерзла вся вода, то сила, возникающая при ее расширении, может заставить отколоться достаточно большой кусок камня.
Плотность вещества: формула, определение и зависимость от температуры
Как получается, что тела, которые занимают одинаковый объём в пространстве, могут при этом иметь различную массу? Всё дело в их плотности. С этим понятием мы знакомимся уже в 7 классе, в первый год преподавания физики в школе. Оно является основным физическим понятием, способным открыть для человека МКТ (молекулярно-кинетическую теорию) не только в курсе физики, но и в химии. С помощью него человек может характеризовать любое вещество, будь то вода, дерево, свинец или воздух.
Виды плотности
Итак, это скалярная величина, которая равна отношению массы исследуемого вещества к его объёму, то есть, ещё может быть названа удельной массой. Обозначается греческой буквой «ρ (читается как «ро»), не путать с «p» — этой буквой принято обозначать давление.
Как найти плотность в физике? Используйте формулу плотности: ρ = m/V
Эта величина может измеряться и в г/л, г/м3 и вообще в любых единицах, связанных с массой и объёмом. Какова единица плотности в СИ? ρ = [кг/м3]. Перевод между этими единицами осуществляется через элементарные математические операции. Однако большее применение имеет именно единица измерения по СИ.
Помимо стандартной формулы, используемой лишь для твёрдых веществ, существует и формула для газа в нормальных условиях (н.у.).
M — молярная масса газа [г/моль], Vm — молярный объём газа (при нормальных условиях эта величина равна 22,4 л/моль).
Чтобы более полно определить данное понятие, стоит уточнить, какая именно величина имеется в виду.
Пористые и сыпучие тела, помимо прочего, имеют:
Эти две величины связаны между собой коэффициентом пористости — отношения объёма пустот (пор) к общему объёму исследуемого тела.
Плотность веществ может зависеть от ряда факторов, причём некоторые из них одновременно могут повышать эту величину для одних веществ и понижать — для других. Например, при низкой температуре обычно происходит увеличение данной величины, однако, существует ряд веществ, чья плотность в определённом температурном диапазоне ведёт себя аномально. К этим веществам относят чугун, воду и бронзу (сплав меди с оловом).
Например, ρ воды имеет самый большой показатель при температуре 4 °C, а затем относительно этого значения может изменяться как при нагреве, так и при охлаждении.
Также стоит сказать о том, что при переходе вещества из одной среды в другую (твёрдое-жидкое-газообразное), то есть при смене агрегатного состояния ρ тоже меняет своё значение и делает это скачками: нарастает при переходе из газа в жидкость и при кристаллизации жидкости. Однако и здесь существует ряд исключений. К примеру, висмут и кремний имеют маленькое значение при затвердевании. Интересный факт: вода при кристаллизации, то есть при превращении в лёд, также уменьшает свои показатели, и именно поэтому лёд не тонет в воде.
Как легко посчитать плотность различных тел
Нам понадобится следующее оборудование:
Для начала мы измеряем объём исследуемого тела с помощью сантиметра или мерной колбы. В случае с жидкостью мы просто смотрим на имеющуюся шкалу и записываем результат. Для деревянного бруса кубической формы она, соответственно, будет равняться значению стороны, возведённому в третью степень. Измерив объём, ставим исследуемое тело на весы и записываем значение массы. Важно! Если вы исследуете жидкость, не забудьте учесть массу сосуда, в который налито исследуемое тело. Подставляем экспериментально полученные значения в формулу, описанную выше, и рассчитываем нужный показатель.
Нужно сказать, что данный показатель для различных газов без специальных приборов вычислить гораздо труднее, поэтому, если вам понадобятся их значения, лучше воспользуйтесь готовыми значениями из таблицы плотности веществ.
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.
Заключение
ЗАВИСИМОСТЬ ПЛОТНОСТИ ВОЗДУХА ОТ ЕГО ТЕМПЕРАТУРЫ И
ДАВЛЕНИЯ
При изменении давления и температуры изменяется плотность воздуха.
Таким образом, можно сделать заключение, что чем выше давление и ниже температура, тем больше плотность воздуха. Поэтому наибольшая плотность воздуха зимой в морозную погоду, а наименьшая летом в теплую погоду. Также следует заметить, что плотность влажного воздуха меньше, чем сухого (при одних и тех же условиях). Поэтому иногда учитывают и влажность, вводя при этом в расчеты соответствующие изменения.
С высотой плотность воздуха падает, так как давление в большей степени падает, чем понижается температура воздуха.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА
На характер обтекания самолета воздушным потоком и на величину сил, возникающих при взаимодействии частей самолета и воздушного потока, существенное влияние оказывают физические свойства воздуха: инертность, вязкость, сжимаемость.
При движении самолета в воздушном потоке возникает сопротивление трения, которое определяет вязкость воздуха. Вязкость воздуха также определяет динамический коэффициент вязкости. Чем больше температура воздуха, тем больше коэффициент вязкости, обусловленный увеличением хаотического движения молекул и ростом эффективности воздействия одного слоя воздуха на другой.
МЕЖДУНАРОДНАЯ СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА
Изменение основных параметров воздуха (давления, температуры и плотности) влияет на величину сил, возникающих при движении самолета в воздушном потоке. Поэтому при полетах в разных метеорологических и климатических условиях изменяются летные и аэродинамические характеристики самолетов.
Чтобы охарактеризовать летные и аэродинамические данные самолетов при одинаковых параметрах воздуха, всеми странами принята единая Международная стандартная атмосфера (МСА).
Таблица МСА составлена на основании среднегодовых условий средних широт (широта около 45°) на уровне моря при влажности нуль процентов и следующих параметрах воздуха:
барометрическое давление В =760 мм рт. ст. (Ро= 10330 кгс/м 2 );
температура t=+15°C (То=288 К);
массовая плотность 0,125 кгс см 4 ;
Согласно МСА температура воздуха в тропосфере падает на 6,5°С на каждые 1000 м.
| Высота H, м | Давление на высоте P H мм | Температура на высоте t H в градусах С | Плотность воздуха r |
| 760,0 | 15,0 | 1,2255 | |
| 751,0 | 14,4 | 1,2137 | |
| 742,1 | 13,7 | 1,2021 | |
| 733,3 | 13,1 | 1,1906 | |
| 724,6 | 12,4 | 1,1791 | |
| 716,0 | 11,8 | 1,1677 | |
| 707,4 | 11,1 | 1,1564 | |
| 699,0 | 10,5 | 1,1452 | |
| 690,6 | 9,8 | 1,1340 | |
| 682,2 | 9,2 | 1,1230 | |
| 674,0 | 8,5 | 1,1120 | |
| 634,1 | 5,3 | 1,0581 | |
| 596,1 | 2,0 | 1,0067 | |
| 560,0 | -1,2 | 0,9578 | |
| 525,7 | -4,5 | 0,9093 | |
| 493,1 | -7,7 | 0,8633 | |
| 462,2 | -11,0 | 0,8192 | |
| 432,8 | -14,2 | 0,7768 | |
| 404,8 | -17,5 | 0,7361 | |
| 378,5 | -20,7 | 0,6971 | |
| 353,7 | -24,0 | 0,6596 | |
| 330,1 | -27,2 | 0,6238 | |
| 307,8 | -30,5 | 0,5894 | |
| 286,7 | -33,7 | 0,5565 | |
| 266,8 | -37,0 | 0,5250 | |
| 248,0 | -40,2 | 0,4949 | |
| 230,4 | -43,5 | 0,4662 | |
| 213,7 | -46,7 | 0,4387 | |
| 198,1 | -50,0 | 0,4125 | |
| 90,2 | -56,0 | 0,1935 | |
| 40,9 | -56,5 | 0,0880 |
Аэродинамика это наука о законах движения воздушной (газовой) среды и силового взаимодействия этой среды с граничными поверхностями.
Граничные поверхности разделяются на:
— внешние – поверхности тел, обтекаемые потоком;
— внутренние – газ движется внутри различных каналов.
При малых скоростях полета воздух принимается как несжимаемая среда. Но с ростом скорости полета (на трасзвуковых и сверхзвуковых скоростях) необходимо учитывать свойство сжимаемости среды. При полетах на небольших высотах воздушную среду принимают сплошной. Но при полете на больших высотах, где плотность воздуха очень мала, необходимо уже применять другие зависимости, которые должны учитывать несплошность среды. На высотах до 15 км (высоты полета гражданских самолетов) во всех случаях принимаем среду сплошной. Это справедливо, ведь размеры исследуемых тел (самолет, вертолет, планер и другие летательные аппараты) гораздо больше свободного пробега молекул.
Основные параметры среды
— g = 9,81 – ускорение свободного падения (м/с 2 );
— V m ρ = (плотность) – это масса газа (жидкости) заключенная в единице объема (кг/м 3 ), для воздуха ρ=1,225;
— массовые силы – силы, действующие на каждый элемент среды (сила тяжести, сила инерции);
— поверхностные силы – силы, действующие на поверхности S со стороны окружающей среды (трение, давление);
— силы трения – силы, действующие по касательной к поверхности (Н/м 2 );
— силы давления – силы, действующие перпендикулярно поверхности (Н/м 2 ).
Основные свойства среды
— Вязкость – способность сопротивляться деформации сдвига. Идеальная среда – среда, в которой отсутствуют вязкость.
— Сжимаемость – способность среды изменять свой объем (плотность) при изменений давления и температуры: R T p = ⋅ ρ ; где R – газовая постоянная (для воздуха R=29,27); Т – температура (град К); T=t+273; t – температура (град С).
— Скорость звука – скорость распространения звука в газовой среде:6 k R T 20 1, T p k d dp a = = ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ρ ρ; где k=1.4.
Процессы изменения состояния газа
— Изотермический – при изменении состояния газа температура постоянна (dT=0).
— Изобарный – при изменении состояния газа давление постоянно (dР=0).
— Изохорный– при изменении состояния газа объем постоянный (dV=0).
— Изотропный – при изменении состояния газа энергия среды постоянна (dЕ=0).
— Адиабатический – при изменении состояния газа отсутствует теплообмен.
— Изоэнтропический – при изменении состояния газа энтропия (Энтропия — это сокращение доступной энергии вещества в результате передачи энергии) остается постоянной (dS=0).
Течение газа или жидкости выражается двумя важными уравнениями: уравнением неразрывности потока и уравнением Бернулли.
Уравнение неразрывности потока отражает закон сохранения массы: количество входящего потока равно количеству выходящему. Например, на рис. 1 расходы во входном и выходном сечениях равны:
Рисунок 1. Схема к уравнению непрерывности потока
С учётом, что q = V ω, получим уравнение неразрывности потока:
Если отсюда выразим скорость для выходного сечения
то легко заметить, что она увеличивается обратно пропорционально площади живого сечения потока. Такая обратная зависимость между скоростью и площадью является важным следствием уравнения неразрывности и применяется в технике, например, при тушении пожара для получения сильной и дальнобойной струи воды.
Как изменится скорость потока, если диаметр напорной трубы d уменьшится в два раза? Площадь живого сечения такой трубы
Тогда отношение площадей в формуле (18) будет равно 4.
Таким образом, при уменьшении диаметра трубы в два раза — скорость потока увеличится в четыре раза. Аналогично, если диаметр уменьшится в три раза — скорость возрастёт в девять раз.
Уравнение Бернулли
Рассмотрим поток газа, проходящий по трубопроводу переменного сечения. В первом сечении приведённое полное давление равно Рпр.п1. При прохождении по трубе часть Рпр.п1 необратимо потеряется из-за проявления сил внутреннего трения газа и во втором сечении энергетическая характеристика уменьшится до Рпр.п2 на величину потерь давления D Рпот.
Уравнение Бeрнýлли для газа в простейшем виде записывается так:
Уравнение Бeрнýлли в традиционной записи получим, если в последнем равенстве раскроем значения приведённых полных давлений Рпр.п1 и Рпр.п2 по:
Энергетический смысл уравнения Бeрнýлли для газа заключается в том, что оно отражает закон сохранения энергии, а геометрический не рассматривается, так как величины в нём выражаются в единицах давления (Па), а не напора (м).
Разность давлений и потери давления
Движение газа происходит только при наличии разности приведённых полных давлений DРпр = Рпр.п1 – Рпр.п2 от бóльшего давления Рпр.п1 к меньшему Рпр.п2. Например, так работает естественная вентиляция для удаления воздуха из помещений зданий.
Потери давления DРпот отражают потерю полной энергии потока при движении газа. Например, чем длиннее воздуховод, меньше его проходное сечение, шероховатее его стенки, тем больше будут потери давления DРпот в системе вентиляции, что может ухудшить удаление несвежего воздуха из помещений.
Таким образом, «разность давлений» является причиной движения газа, а «потери давления» — следствием. Измеряются они в одних и тех же единицах СИ — паскалях (Па).
Дата добавления: 2016-02-02 ; просмотров: 19175 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Как изменяется плотность воздуха в зависимости от температуры: формулы, графики, таблицы
Чем выше температура воздуха, тем более разреженным является воздух, и тем ниже его плотность. Это напрямую следует из формулы плотности ρ = p · M / (R · T). Так как температура находится в знаменателе, то зависимость обратно пропорциональная.
Как плотность воздуха зависит от температуры: формула
Напомним, что, согласно закону Менделеева-Клапейрона, плотность воздуха определяется по формуле:
ρ = p · M / (R · T)
Чем теплее воздух, тем ниже его плотность.
Чем холоднее воздух, тем выше плотность.
Важно помнить, что температура должна быть выражена в Кельвинах, а не Цельсиях:
То есть в формулу надо поставлять не 0°С, а 273К; не 10°С, а 283К, и т.д.
Онлайн калькулятор плотности при разной температуре
Калькулятор позволяет рассчитать плотность воздуха при различной температуре прямо на сайте онлайн. В расчете учитывается только температура. Давление – нормальное атмосферное (760 мм рт. ст. или 101 325 Па). Получить более сложный и точный расчет в зависимости от температуры, влажности и давления одновременно можно на этой странице.