Относительная плотность газа относительно воздуха. Что такое плотность воздуха и чему она равна при нормальных условиях
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Атмосферный воздух представляет собой смесь многих газов. Воздух имеет сложный состав. Его основные составные части можно подразделить на три группы: постоянные, переменные и случайные. К первым относится кислород (содержание кислорода в воздухе составляет около 21% по объему), азот (около 86%) и так называемые инертные газы (около 1%).
Содержание составных частей практически не зависит от того, в каком месте земного шара взята проба сухого воздуха. Ко второй группе относятся углекислый газ (0,02 - 0,04%) и водяной пар (до 3%). Содержание случайных составных частей зависит от местных условий: вблизи металлургических заводов к воздуху часто бывают примешаны заметные количества сернистого газа, в местах, где происходит распад органических остатков, - аммиака и т.д. Помимо различных газов, воздух всегда содержит большее или меньшее количество пыли.
Плотность воздуха представляет собой величину, равную массе газа атмосферы Земли, деленную на единицу объема. Она зависит от давления, температуры и влажности. Существует стандартная величина плотности воздуха - 1,225 кг/м 3 , соответствующая плотности сухого воздуха при температуре 15 o С и давлении 101330 Па.
Зная из опыта массу литра воздуха при нормальных условиях (1,293 г), можно вычислить тот молекулярный вес, который имел бы воздух, если бы он был индивидуальным газом. Так как грамм-молекула всякого газа занимает при нормальных условиях объем 22,4 л, средний молекулярный вес воздуха равен
22,4 × 1,293 = 29.
Это число - 29 - следует запомнить: зная его, легко рассчитать плотность любого газа по отношению к воздуху.
Плотность жидкого воздуха
При достаточном охлаждении воздух переходит в жидкое состояние. Жидкий воздух можно довольно долго сохранять в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопередачи выкачан воздух. Подобные сосуды используются, например, в термосах.
Свободно испаряющийся при обычных условиях жидкий воздух имеет температуру около (-190 o С). Состав его непостоянен, так как азот улетучивается легче кислорода. По мере удаления азота цвет жидкого воздуха изменяется от голубоватого до бледно-синего (цвет жидкого кислорода).
В жидком воздухе легко переходят в твердое состояние этиловый спирт, диэтиловый эфир и многие газы. Если, например, пропускать через жидкий воздух диоксид углерода, то он превращается в белые хлопья, похожие по внешнему виду на снег. Ртуть, погруженная в жидкий воздух, становится твердой и ковкой.
Многие вещества, охлажденные жидким воздухом, резко изменяют свои свойства. Так, чинк и олово становятся настолько хрупкими, что легко превращаются в порошок, свинцовый колокольчик издает чистый звенящий звук, а замороженный резиновый мячик разбивается вдребезги, если уронить его на пол.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Определите во сколько раз тяжелее воздуха сероводород H 2 S. |
| Решение | Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. D air (H 2 S) = M r (H 2 S) / M r (air); D air (H 2 S) = 34 / 29 = 1,17. M r (H 2 S) = 2 ×A r (H) + A r (S) = 2 × 1 + 32 = 2 + 32 = 34. |
| Ответ | Сероводород H 2 S тяжелее воздуха в 1,17 раз. |
Плотность воздуха - это физическая величина, характеризующая удельную массу воздуха при естественных условиях или массу газа атмосферы Земли на единицу объема. Величина плотности воздуха представляет собой функцию от высоты производимых измерений, от его влажности и температуры.
За стандарт плотности воздуха принята величина, равная 1,29 кг/м3, которая вычисляется как отношение его молярной массы (29 г/моль) к молярному объему, одинаковому для всех газов (22,413996 дм3), соответствующая плотности сухого воздуха при 0°С (273,15°К) и давлении 760 мм ртутного столба (101325 Па) на уровне моря (то есть при нормальных условиях).
Определение плотности воздуха ^
Не так давно сведения о плотности воздуха получали косвенно за счет наблюдений за полярными сияниями, распространением радиоволн, метеорами. С момента появления искусственных спутников Земли плотность воздуха начали вычислять благодаря данным, полученным от их торможения.
Еще один метод заключается в наблюдениях за расплыванием искусственных облаков из паров натрия, создаваемых метеорологическими ракетами. В Европе плотность воздуха у поверхности Земли составляет 1,258 кг/м3, на высоте пяти км - 0,735, на высоте двадцати км - 0,087, на высоте сорока км - 0,004 кг/м3.
Различают два вида плотности воздуха: массовая и весовая (удельный вес).
Формула плотности воздуха ^
Весовая плотность определяет вес 1 м3 воздуха и вычисляется по формуле γ = G/V, где γ – весовая плотность, кгс/м3; G — вес воздуха, измеряемый в кгс; V – объем воздуха, измеряемый в м3. Установлено, что 1 м3 воздуха при стандартных условиях (барометрическое давление 760 мм ртутного столба, t=15°С) весит 1,225 кгс , исходя из этого, весовая плотность (удельный вес) 1 м3 воздуха равна γ =1,225 кгс/м3.
Что такое относительная плотность по воздуху? ^
Следует принять во внимание, что вес воздуха – это величина изменчивая и меняется в зависимости от различных условий, таких как географическая широта и сила инерции, которая возникает при вращении Земли вокруг своей оси. На полюсах вес воздуха на 5% больше, чем в зоне экватора.
Массовая плотность воздуха – это масса 1 м3 воздуха, обозначаемая греческой буквой ρ. Как известно, масса тела – величина постоянная. За единицу массы принято считать массу гири из иридистой платины, которая находится в Международной палате мер и весов в Париже.
Массовая плотность воздуха ρ вычисляется по следующей формуле: ρ = m / v. Здесь m – масса воздуха, измеряемая в кг×с2/м; ρ – его массовая плотность, измеряемая в кгс×с2/м4.
Массовая и весовая плотности воздуха находятся в зависимости: ρ = γ / g, где g – коэффициент ускорения свободного падения, равный 9,8 м/с². Откуда следует, что массовая плотность воздуха при стандартных условиях равна 0,1250 кг×с2/м4.
Как плотность воздуха зависит от температуры? ^
При изменении барометрического давления и температуры плотность воздуха изменяется. Исходя из закона Бойля-Мариотта, чем больше давление, тем больше будет плотность воздуха. Однако с уменьшением давления с высотой, уменьшается и плотности воздуха, что привносит свои коррективы, в результате чего закон изменения давления по вертикали становится сложнее.
Уравнение, которое выражает данный закон изменения давления с высотой в атмосфере, находящейся в покое, называется основным уравнением статики .
Оно гласит, что с увеличением высоты давление изменяется в меньшую сторону и при подъеме на одну и ту же высоту уменьшение давления тем больше, чем больше сила тяжести и плотность воздуха.
Важная роль в этом уравнении принадлежит изменениям плотности воздуха. В итоге можно сказать, что чем выше подниматься, тем меньше будет падать давление при подъеме на одинаковую высоту. Плотность воздуха от температуры зависит следующим образом: в теплом воздухе давление уменьшается менее интенсивно, чем в холодном, следовательно, на одинаково равной высоте в теплой воздушной массе давление более высокое, чем в холодной.
При изменяющихся значениях температуры и давления массовая плотность воздуха вычисляется по формуле: ρ = 0,0473хВ / Т. Здесь В – это барометрическое давление, измеряемое в мм ртутного столба, Т — температура воздуха, измеряемая в Кельвинах.
Как выбирают , по каким характеристикам, параметрам?
Что такое промышленный осушитель сжатого воздуха? Читайте про это , наиболее интересная и актуальная информация.
Какие сейчас цены на озонотерапию? Вы узнаете об этом в данной статье:
. Отзывы, показания и противопоказания при озонотерапии.
Как измеряется плотность паров по воздуху? ^
Также плотность определяется и влажностью воздуха. Наличие водяных поров приводит к уменьшению плотности воздуха, что объясняется низкой молярной массой воды (18 г/моль) на фоне молярной массы сухого воздуха (29 г/моль). Влажный воздух можно рассмотреть как смесь идеальных газов, в каждом из которых комбинация плотностей позволяет получить требуемое значение плотности для их смеси.
Такая, своего рода, интерпретация позволяет определять значения плотности с уровнем погрешности менее 0,2% в диапазоне температур от −10 °C до 50 °C. Плотность воздуха позволяет получить величину его влагосодержания, которая вычисляется путем деления плотности водяного пара (в граммах), который содержится в воздухе, на показатель плотности сухого воздуха в килограммах .
Основное уравнение статики не позволяет решать постоянно возникающие практические задачи в реальных условиях изменяющейся атмосферы. Поэтому его решают при различных упрощенных предположениях, которые соответствуют фактическим реальным условиям, за счет выдвижения ряда частных предположений.
Основное уравнение статики дает возможность получить значение вертикального градиента давления, который выражает изменение давления при подъеме или спуске на единицу высоты, т. е. изменение давления на единицу расстояния по вертикали.
Вместо вертикального градиента нередко используют обратную ему величину - барическую ступень в метрах на миллибар (иногда еще встречается устаревший вариант термина «градиент давления» - барометрический градиент).
Низкая плотность воздуха определяет незначительное сопротивление передвижению. Многими наземными животными, в ходе эволюции, использовались экологические выгоды этого свойства воздушной среды, за счет чего они приобрели способность к полету. 75% всех видов наземных животных способны к активному полету. По большей части это насекомые и птицы, но встречаются млекопитающие и рептилии.
Видео на тему «Определение плотности воздуха»
Инструкция
Для того чтобы справиться с задачей, необходимо использовать формулы на относительной плотности:
Сначала найдите относительную молекулярную массу аммиака, которую можно рассчитать по таблице Д.И. Менделеева.
Ar (N) = 14, Ar (H) = 3 х 1 = 3, отсюда
Mr (NH3) = 14 + 3 = 17
Подставьте полученные данные в формулу на определение относительной плотности по воздуху:
D (воздух) = Mr (аммиака)/ Mr (воздуха);
D (воздух) = Mr (аммиака)/ 29;
D (воздух) = 17/ 29 = 0, 59.
Пример № 2. Вычислите относительную плотность аммиака по водороду.
Подставьте данные в формулу на определение относительной плотности по водороду:
D (водород) = Mr (аммиака)/ Mr (водорода);
D (водород) = Mr (аммиака)/ 2;
D (водород) = 17/ 2 = 8, 5.
Водород (от латинского «Hydrogenium» - «порождающий воду») – первый элемент таблицы Менделеева. Широко распространен, существует в виде трех изотопов – протия, дейтерия и трития. Водород представляет собою легкий бесцветный газ (в 14,5 раз легче воздуха). В смеси с воздухом и кислородом весьма взрывоопасен. Используется в химической, пищевой промышленности, а также в качестве ракетного топлива. Ведутся исследования по возможности использования водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей. Плотность водорода (как и любого другого газа) можно определить разными способами.
Инструкция
Во-первых, исходя из универсального определения плотности – количество вещества в единице объема. В том случае, если находится в герметичном сосуде, плотность газа определяется элементарно, по формуле (М1 – М2)/V, где М1 – общая масса сосуда с газом, М2 – масса пустого сосуда, а V – внутренний объем сосуда.
Если же требуется определить плотность водорода
, имея такие исходные данные, как , тут на помощь приходит универсальное уравнение состояния идеального газа, или уравнение Менделеева – Клапейрона: PV = (mRT)/M.
P – давление газа
V – его объем
R – универсальная газовая постоянная
Т – температура газа в Кельвина
M – молярная масса газа
m – фактическая масса газа.
Идеальным газом считается такая математическая газа, в которой потенциальной энергией молекул по сравнению с их кинетической энергией можно пренебречь. В модели идеального газа между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, а соударения частиц с другими частицами или стенками сосуда, абсолютно упруги.
Разумеется, ни водород, ни другой газ не является идеальным, но эта модель позволяет вычисления с достаточно высокой точностью при , близких к атмосферному давлению и комнатной температуре. Например, дана задача: найти плотность водорода при давлении 6 и температуре 20 градусов по Цельсию.
Сначала переведите все исходные величины в систему СИ (6 атмосфер = 607950 Па, 20 градусов Ц=293 градуса К). Затем напишите уравнение Менделеева-Клапейрона PV = (mRT)/M. Преобразуйте его в виде: P = (mRT)/MV. Поскольку m/V есть плотность (отношение массы вещества к его объему), то получаете: плотность водорода = PM/RT, причем все необходимые данные для решения у нас есть. Вы знаеете величину давления (607950), температуру (293), универсальную газовую постоянную (8,31), молярную массу водорода (0,002).
Подставив эти данные в формулу, вы получите: плотность водорода при заданных условиях давления и температуры равна 0,499 кг/кубический метр, или примерно 0,5.
Источники:
- как найти плотность водорода
Плотность - это одна из характеристик вещества, такая же, как масса, объем, температура, площадь. Она равна отношению массы к объему. Основная задача - научиться вычислять эту величину и знать, от чего она зависит.
Инструкция
Плотность - это численное отношение массы к объему вещества. Если вы хотите определить плотность вещества, а вам известны его масса и объем, нахождение плотности не составит вам труда. Самый простой способ найти плотность в данном случае - это p = m/V. Она в кг/м^3 в системе СИ. Однако далеко не всегда даны эти два значения, поэтому следует знать несколько способов, с помощью которых можно вычислить плотность.
Плотность имеет разные значения в зависимости от вида вещества. Кроме того, плотность меняется и от степени солености и температуры. При уменьшении температуры плотность возрастает, а при понижении степени солености понижается и плотность. Например, плотность Красного моря по-прежнему считается высокой, а в Балтийском море она уже меньше. Все вы замечали, что если в воду подлить , оно всплывает . Все это происходит из-за того, что имеет более низкую плотность, нежели вода. Металлы и каменные вещества, наоборот тонут, так как их плотность выше. На основании плотности тел возникла об их плавании.
Благодаря теории плавания тел , по которой можно найти плотность тела, воды, объем всего тела и объем его погруженной части. Эта формула имеет вид:Vпогруж. части / V тела = p тела / p жидк.Отсюда следует, что плотность тела можно найти следующим образом:р тела = V погруж. части * р жидк / V тела.Это условие выполняется исходя из табличных данных и заданных объемов V погруж. части и V тела.
Видео по теме
Совет 4: Как вычислить относительную молекулярную массу вещества
Относительная молекулярная масса – это безразмерная величина, показывающая во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Соответственно, масса атома углерода равна 12 единиц. Определить относительную молекулярную массу химического соединения можно, сложив массы атомов, из которых состоит молекула вещества.
Вам понадобится
- - ручка;
- - бумага для записей;
- - калькулятор;
- - таблица Менделеева.
Инструкция
Найдите в таблице Менделеева ячейки элементов, из которых состоит данная молекула. Значения относительных атомных масс (Ar) для каждого вещества указаны в левом нижнем углу ячейки. Перепишите их, округлив до целого числа: Ar(H) – 1; Ar(P) – 31; Ar(O) – 16.
Определите относительную молекулярную массу соединения (Mr). Для этого умножьте атомную массу каждого элемента на количество атомов в . Затем сложите получившиеся значения. Для ортофосфорной кислоты: Mr(н3ро4) = 3*1 + 1*31 + 4*16 = 98.
Относительная молекулярная масса численно совпадает с молярной массой вещества. В некоторых задачах используется эта связь. Пример: газ при температуре 200 К и давлении 0,2 MПа имеет плотность 5,3 кг/мз. Определить его относительную молекулярную массу.
Используйте уравнение Менделеева-Клайперона для идеального газа: PV = mRT/M, где V – объем газа, м3; m – масса данного объела газа, кг; M – молярная масса газа, кг/моль; R – универсальная газовая постоянная. R=8.314472 м2кг с-2 К-1 Моль-1; T – газа, К; P - абсолютное давление, Па. Выразите из этой зависимости молярную массу: М = mRT/(PV).
Как известно, плотности: p = m/V, кг/м3. Подставьте ее в выражение: М = рRT/P. Определите молярную массу газа: М = 5,3*8,31*200/(2*10^5) = 0,044 кг/моль. Относительная молекулярная масса газа: Mr = 44. Вы можете предположить, что это углекислый газ: Mr(CO2) = 12 + 16*2 = 44.
Источники:
- вычислите относительные молекулярные массы
В химических лабораториях и при проведения химических опытов в домашних условиях часто бывает необходимо определить относительную плотность того или иного вещества. Относительная плотность представляет собой отношение плотности конкретного вещества к плотности другого при определенных условиях либо к плотности эталонного вещества, за которое принимается дистиллированная вода. Относительная плотность выражается отвлеченным числом.
Вам понадобится
- - таблицы и справочники;
- - ареометр, пикнометр или специальные весы.
Инструкция
Относительную плотность веществ по отношению к плотности дистиллированной воды определяйте по формуле: d=p/p0, где d – искомая относительная плотность, p – плотность исследуемого вещества, p0 – плотность эталонного вещества. Последний параметр табличный и определен довольно точно: при 20оС вода имеет плотность 998,203 кг/куб.м, а максимальной плотности она достигает при 4оС – 999,973 кг/куб.м. Перед вычислениями не забывайте, что р и р0 должны быть выражены в одинаковых единицах измерения.
Кроме того, относительную плотность вещества можно узнать в физических и химических справочниках. Числовое значение относительной плотности всегда равно относительному удельному весу того же вещества в одних и тех же условиях. Вывод: пользуйтесь таблицами относительных удельных весов так же, как если бы это были таблицы относительной плотности.
Определяя относительную плотность, всегда учитывайте температуру исследуемого и эталонного вещества. Дело в том, что плотность веществ уменьшается при и увеличивается при охлаждении. Если температура исследуемого вещества отличается эталона, внесите поправку. Ее вычислите как среднее изменение относительной плотности на 1оС. Нужные данные ищите по номограммам температурных поправок.
Для быстрого вычисления относительной плотности жидкостей на практике используйте ареометр. Для измерения относительной и сухих веществ используйте пикнометры и специальные весы. Классический ареометр представляет собой стеклянную трубку, расширяющуюся в нижней части. На нижнем конце трубки имеется резервуар или специальным веществом. На верхней части трубки нанесены деления, показывающие числовое значение относительной плотности исследуемого вещества. Многие ареометры дополнительно оснащают термометрами для измерений температуры исследуемого вещества.
Закон Авогадро
Отдаленность молекул газообразного вещества друг от друга зависит от внешних условий: давления и температуры. При одинаковых внешних условиях промежутки между молекулами различных газов одинаковы. Закон Авогадро, открытый в 1811 году, гласит: в равных объемах разных газов при одинаковых внешних условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. Т.е. если V1=V2, T1=T2 и P1=P2, то N1=N2, где V – объем, T – температура, P – давление, N – число молекул газа (индекс «1» у одного газа, «2» – у другого).
Первое следствие из закона Авогадро, молярный объем
В первом следствии из закона Авогадро утверждается, что одинаковое число молекул любых газов при одних и тех же условиях занимает одинаковый объем: V1=V2 при N1=N2, T1=T2 и P1=P2. Объем одного моля всякого газа (молярный объем) – постоянная величина. Напомним, что в 1 моле содержится Авогадрово число частиц – 6,02х10^23 молекул.
Таким образом, молярный объем газа зависит только от давления и температуры. Обычно рассматривают газы при нормальном давлении и нормальной температуре: 273 К (0 градусов Цельсия) и 1 атм (760 мм рт. ст., 101325 Па). При таких нормальных условиях, обозначаемых «н.у.», молярный объем любого газа равен 22,4 л/моль. Зная эту величину, можно рассчитать объем любой заданной массы и любого заданного количества газа.
Второе следствие из закона Авогадро, относительные плотности газов
Для расчета относительных плотностей газов применяется второе следствие из закона Авогадро. По определению, плотность вещества – это отношение его массы к его объему: ρ=m/V. Для 1 моля вещества масса равна молярной массе M, а объем – молярному объему V(M). Отсюда плотность газа составляет ρ=M(газа)/V(M).
Пусть имеются два газа – X и Y. Их плотности и молярные массы – ρ(X), ρ(Y), M(X), M(Y), связанные между собой соотношениями: ρ(X)=M(X)/V(M), ρ(Y)=M(Y)/V(M). Относительной плотностью газа X по газу Y, обозначаемой как Dy(X) называется отношение плотностей этих газов ρ(X)/ρ(Y): Dy(X)=ρ(X)/ρ(Y)=M(X)xV(M)/V(M)xM(Y)=M(X)/M(Y). Молярные объемы сокращаются, и из этого можно сделать вывод, что относительная плотность газа X по газу Y равна отношению их молярных или относительных молекулярных масс (численно они равны).
Плотности газов нередко определяют по отношению к водороду, самому легкому из всех газов, молярная масса которого – 2 г/моль. Т.е. если в задаче сказано, что неизвестный газ X имеет плотность по водороду, скажем, 15 (относительная плотность – безразмерная величина!), то найти его молярную массу не составит труда: M(X)=15xM(H2)=15x2=30 г/моль. Часто указывают также относительную плотность газа по воздуху. Здесь необходимо знать, что средняя относительная молекулярная масса воздуха равна 29, и умножать уже надо не на 2, а на 29.
