Относительная плотность газа — что это за величина
При изучении свойств газообразных веществ используют множество параметров. Одной из наиболее важных характеристик газов является их плотность.
Плотность — скалярная физическая величина, которая вычисляется путем деления массы вещества на занимаемый им объем.
Рассматриваемую величину обозначают с помощью греческой буквы ρ или латинских D и d. Единицей измерения плотности в системе СИ принято считать кг/м3, а в ОпределениеВ распространенных случаях по отношению к газам применяют термин «относительная плотность». Данная характеристика является отношением массы рассматриваемого газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении. Параметр называют относительной плотностью первого газа по второму.К примеру, при нормальных условиях диоксид углерода СО2 в объеме 1 л обладает массой 1,98 г, а водород в том же объеме и при тех же условиях — массой 0,09 г. Таким образом, плотность диоксида углерода по водороду составит: 1,98 / 0,09 = 22.
График плотности в зависимости от температуры
График наглядно показывает, как меняется плотность воздуха при изменении его температуры. Ниже представлен график плотности при температуре от -20°С до 100°С и более общий график – для температур от -250°С до 1000°С.
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.
Как меняется плотность с ростом и понижением температуры
Из формулы плотности следует, что зависимость плотности от температуры обратно пропорциональная:
Чем выше температура, чем ниже плотность
Чем ниже температура, тем выше плотностьПри расчете вентиляции обычно фигурируют температуры порядка -25… 25°С, это примерно 250…300К. Изменение температуры на 1 градус при таких абсолютных значениях – это изменение на 0,35%. То есть в системах вентиляции и кондиционирования при повышении температуры на 1 градус плотность снижается на 0,35% или на 0,0042 кг/м³.
Каждые 3 градуса – это 1% плотности
Приведем два примера, как можно рассчитать плотность самостоятельно в уме без использования сложных таблиц и графиков:
Температура воздуха до нагревателя составляла -28°С, а после нагревателя 18°С. Она изменилась на 46°С. Как изменится плотность воздуха? Ответ: плотность изменится примерно на 46 · 0,0042 = 0,19 кг/м³ (точные цифры: была 1,44, стала 1,21 кг/м³).
В систему кондиционирования подается воздух с температурой 30°С, а на выходе его температура 18°С. Конденсат не выпадает. Как меняется плотность воздуха? Ответ: плотность увеличивается на 12 · 0,0042 = 0,05 кг/м³ (точные цифры: была 1,165, стала 1,21 кг/м³).
Как видно из примеров, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования плотность воздуха изменяется в диапазоне от 1,16 до 1,44 кг/м³, то есть почти на 24%. Это значит, что при одном и том же объемном расходе воздуха (например, 300 м³/ч) массовый расход может разниться на 25%, и на нагрев холодного воздуха потребуется на 25% больше энергии (на самом деле чуть меньше, так как в процессе нагрева плотность возрастает и погрешность снижается).
Тем не менее, в точных расчетах изменение плотности следует обязательно учитывать. Но не стоит забывать, что при изменении температуры меняется не только плотность, но и теплоемкость и другие параметры воздуха.
Как плотность воздуха зависит от температуры: формула
Напомним, что, согласно закону Менделеева-Клапейрона, плотность воздуха определяется по формуле: ρ = p · M / (R · T)
В этой формуле:
p – давление воздуха,
М – его молярная масса (29 г/моль),
R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)),
Т – температура (Кельвин)
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.
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.
Объемные отношения газов при химических реакциях
Вещество из жидкого или твердого переходит в газообразное агрегатное состояние при нагреве, примерами таких процессов являются: кипение жидкостей;возгонка твердых веществ (переход из твердого состояния сразу в газообразное).В связи с тем, что расстояние между молекулами газов существенно превышает размеры самих молекул, объем, занимаемый газообразным веществом, является объемом свободного пространства между молекулами газа, перемещающимися хаотично. Величина этого пространства зависит от условий, при которых находится газ:Данная характеристика практически равна для всех газов. При этом объемом, который занимают сами молекулы, допустимо пренебречь. Вывод из вышесказанного сформулирован в законе Авогадро. ОпределениеСледствие 1Молярный объем газа определяют как отношение объема газа к его количеству:
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.
Относительная плотность по… задачи
24-Фев-2022 | комментариев 26 | Лолита Окольнова В ЕГЭ иногда встречаются задачи (часть С последнее задание), где в условии дана относительнаяплотность вещества по… водороду, кислороду, воздуху, азоту и т.д. Например: Относительная плотность вещества – отношение плотности вещества Б к плотности вещества АОтносительная плотность — величина безразмернаяФормула достаточно простая, и из нее вытекает другая формула — Формула молярной массы вещества Mr1 = D•Mr2 и т.д. В условии задачи может быть полная формулировка — «относительная плотность (паров)…», а может быть просто «плотность вещества по…» Давайте решим нашу задачу: Дана плотность паров вещества по воздуху, значит, нам подходит формула молярной массы вещества — Mr (вещества)=Mr(воздуха)•D=29 гмоль • D Mr(вещества)=29 гмоль • 1.448 = 42 гмоль Нам дан углеводород — СхHy, значит, мы можем найти Mr(Cx и Mr(Hy). Обратите внимание, именно молярные массы, т.к.у нас несколько атомов углерода и водорода. Для этого надо молярную массу вещества умножить на процентное содержание элемента: Mr(Cx)=Mr(вещества)•ω Mr(Cx)= 42 гмоль · 0.8571=36 гмоль x=Mr(Cx)Ar(C)=36 гмоль ÷ 12 гмоль =3. Точно так же находим все данные для водорода: Mr(Hy)=Mr(вещества)•ω Mr(Hy)= 42 гмоль · 0.1429=6 гмоль x=Mr(Hy)Ar(H)=6 гмоль ÷ 1 гмоль =6. Искомое вещество — C3H6 — пропен. Еще раз повторим определение — Относительная плотность газа – это сравнение молярной или относительной молекулярной массы одного газа с аналогичным показателем другого газа.Дана относительная плотность по аргону. Mr (вещества)=Ar(Ar)•D Mr (CxHy)=40 гмоль ·1.05=42 гмоль Запишем уравнение горения: СхHy O2 = xCO2 y2H2O Найдем количество углекислого газа и воды: n(CO2)=V22,4 лмоль = 33.622.4=1.5 n(H2O)=mMr=2718=1.5 Соотношение х : y2 как 1.5 : 1.5, т.е. y=2x, что соответствует общей формуле алкенов: CnH2n Выражаем в общем виде молярную массу: Mr=Mr(C) Mr(H) 12n 2n=42 n=3 Наше вещество — C3H6 — пропен
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 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:
Плотность воздуха при 0°С, 4°С, 5°С, 7°С, 10°С, 20°С
Чаще всего в расчетах нужна плотность воздуха при следующих температурах:
При 0°С: 1,2930 кг/м³
При 4°С: 1,2743 кг/м³
При 5°С: 1,2697 кг/м³
При 7°С: 1,2607 кг/м³
При 10°С: 1,2473 кг/м³
При 20°С: 1,2048 кг/м³
Плотность воздуха при разных температурах: таблицы
В зависимости от целей вам понадобятся таблицы на разные диапазоны температур. В системах вентиляции и кондиционирования обычно достаточно диапазона от -20°С до 100°С. Для других задач потребуется более широкий диапазон: от 0 до 1000 Кельвинов. Ниже мы приводим соответствующие таблицы.
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 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:
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%.
По какой формуле высчитывается
Формула 1Формула 2Плотность газообразного вещества в лабораторных условиях определяют следующим методом: Измеряют вес стеклянной колбы с краном с помощью аналитических весов.Принимают за исходную массу колбы, а за конечную — массу колбы, которую наполняют рассматриваемым газом до определенного давления.Путем вычитания из второй массы исходной определяют их разность, которую затем делят на объем колбы.Полученное в результате значение является плотностью газа в заданных условиях.Расчет плотности газообразного вещества при нормальных условиях выполняют с помощью уравнения состояния идеального газа: p2=pN V2=VN T2=TN p1/pN×V1/m×m/VN=T1/TN;m/V1=r1 m/VN=rN Таким образом: rN=r1×pN/p1×T1/TNЗначения плотностей некоторых газообразных веществ при нормальных условиях представлены в таблице:
Примеры решения задач
Задача 1Задача 2Задача 3Задача 4Задача 5
Рассчитать относительную плотность кислорода по азоту и по воздуху
1. Определим относительную плотность по азоту:DN₂ (O₂) = M (O₂) : M (N₂);M (O₂) = 16 * 2 = 32 г/моль;M (N₂) = 14 * 2 = 28 г/моль;DN₂ (O₂) = 32 : 28 = 1,1429;2. находим относительную плотность по воздуху:Dвозд (O₂) = M (O₂) : M (воздуха);M (воздуха) = 29 г/моль;Dвозд (O₂) = 32 : 29 = 1,1034.Ответ: DN₂ (O₂) = 1,1429; Dвозд (O₂) = 1,1034.
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.
Таблица. Относительные плотности газов по воздуху по возрастанию в т.ч. горючих и опасных плотности газов, химические формулы газов и молекулярные веса. — Инженерный справочник / Технический справочник ДПВА / Таблицы для инженеров (ex DPVA-info)
1)NTP — Нормальная температура и давление (Normal Temperature and Pressure) — 20oC (293.15 K, 68oF) при 1 атм ( 101.325 кН/м2, 101.325 кПа, 14.7 psia, 0 psig, 30 in Hg, 760 мм.рт.ст)2)STP — Стандартная температура и давление (Standard Temperature and Pressure) — 0oC (273.15 K, 32oF) при 1 атм (101.325 кН/м2, 101.325 кПа, 14.7 psia, 0 psig, 30 in Hg, 760 torr=мм.рт.ст)
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.
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:
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