Как определить плотность воздуха

Инструкция от Татьяна, добавлена 17 марта 2012 | нет комментариев

Если вы студент технического вуза, будущий инженер, химик или физик, то рано или поздно вам придется столкнуться с таким понятием, как плотность воздуха. Что же это такое? В принципе, ничего сверхъестественного в этом нет – что такое плотность знает каждый со школьной скамьи. Определяется она, как соотношение массы и объема.

И, казалось бы, стоит узнать массу конкретного объема воздуха, воспользоваться формулой ρ=m/V, где m – масса, V – объем, и получить искомую величину. Но существует определенная проблема – в случае с твердым телом или жидкостью этой операции вполне бы хватило. Но – мы имеем дело с газом, который подчиняется несколько иным законам. В ситуацию вмешиваются такие решающие факторы, как давление и температура. Воздух одинаковой массы, находящийся под большим давлением будет занимать меньший объем, что повлияет на его плотность в сторону увеличения. Изменения температуры также влияют на объем прямо пропорциональным образом. А в комплексе эти параметры и создают уникальные условия, определяющие значения того, что мы называем плотность воздуха.

Со школьной скамьи многие помнят, что такое уравнение Менделеева-Клапейрона (ну по крайней мере, тот человек, которому зачем-то понадобилось определять плотность воздуха, должен быть знаком с этим понятием). Оно имеет следующую форму pV=(m/M)RT. M – это молярная масса воздуха. Это величина постоянная и составляет 0,029 кг/моль. R – универсальная газовая постоянная, тоже известная величина – 8,31 Дж/(Моль*К). Применив его, можно узнать плотность воздуха при заданных условиях.

Используя значения текущей температуры и давления, упомянутые формулы и некоторое лабораторное оборудование, можно добиться решения такого вопроса, как определить плотность воздуха.

Необходимо:

— элементарные знания школьного курса химии и физики;
— уравнение Менделеева-Клапейрона;
— закрытая емкость с воздухом в форме шара и U-образным вакуумметром, присоединенным к ней;
насос Камовского;
— комнатный термометр;
— барометр;
— лабораторные весы.

Инструкция:

  • Запишите показания комнатного барометра. Атмосферное давление, которое он показывает пригодятся вам при дальнейших расчетах. Отметьте значение комнатной температуры. Для работы вам понадобится абсолютная температура вашей системы – Т. Определяется она при помощи формулы – Т=tК+273, где tK – комнатная температура по шкале Цельсия, 273 – разница положения нуля между шкалой Кельвина и шкалой Цельсия. Значение абслолютной температуры измеряется в Кельвинах (К).
  • Узнайте и запишите в качестве параметра V объем емкости. Обычно, лабораторная посуда имеет известный объем. Если этих данных вы не нашли, то определите данную характеристику любым доступным способом.
  • Взвесьте емкость на лабораторных весах. В результате вы получите суммарную массу закрытой емкости и находящегося в ней воздуха. Запишите полученные данные как m1.
  • Для дальнейших действий вам понадобится исключить из расчетов массу емкости. Подсоедините к ней ручной насос Камовского и откачайте воздух до максимально возможного показания вакуумметра.
  • Определите остаточное давление воздуха с массой mO в колбе (pO). Для этого от значения атмосферного давления, определенного с помощью барометра отнимите показания вакуумметра на емкости.
  • Еще раз взвесьте емкость на весах. Вы получите суммарное значение остаточной массы воздуха вместе с массой колбы. Запишите это показание как m2. Таким образом, воздушная масса при начальных условиях системы будет составлять m1-m2+mO. Плотность воздуха в такой ситуации будет определяться по формуле ρ=(m1-m2+mO)/V (1).
  • Значение остаточной массы воздуха в этой ситуации можно будет рассчитать, используя преобразованное уравнение Менделеева-Клапейрона, благо все данные для расчета у вас теперь есть. Формула для расчета примет следующий вид – mO=MpOV/(RT). Еще раз напомним, что М – это молярная масса, pO – остаточное давление воздуха в колбе, V – объем воздуха, равный объему емкости, R – универсальная газовая постоянная, Т – значение абсолютной температуры системы.
  • Подставив уравнение Менделеева-Клапейрона в уравнение (1), выполнив ряд математических преобразований, вы получите конечную формулу для определения плотности воздуха при конкретных условиях:ρ=(m1-m2)/V+MpO/(RT) (2). Теперь подставляйте все полученные в ходе лабораторной работы параметры в уравнение (2) и рассчитывайте значение искомой величины.
Похожие инструкции
Численность населения городов России

Россия – это, несомненно, уникальная по многим вопросам страна, имеющая свою неповторимую историю и...

Сколько килограмм весит кирпич

Кирпич — весьма распространенный строительный материал, который является важным элементом большинства...

Средняя скорость велосипедиста

Поиск значения средней скорости – это, в принципе, задача из школьного курса физики. Но вот проблема — мало у...

Чем чистить золото

Золото – это старейший драгоценный металл, издавна использующийся людьми для изготовления ювелирных...

Комментарии