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何もないように見えるかもしれませんが、周囲の空気には密度があります。空気の密度は、その重量、質量、体積などの物理および化学の特徴について測定および研究できます。科学者とエンジニアは、この知識を使用して、タイヤを膨らませ、吸引ポンプで材料を吸引し、真空気密シールを作成するときに空気圧を利用する機器と製品を作成します。
空気密度式
最も基本的で簡単な空気密度の公式は、単に空気の質量をその体積で除算することです。これは、密度の標準的な定義です。 ρ= m / V 密度について ρ （「ロー」）一般的にkg / m3、質量 m kgおよび体積 V メートルで3。たとえば、1 kgの容積を占める100 kgの空気がある場合3、密度は100 kg / m3.
空気の密度を明確に把握するには、密度を定式化するときに、さまざまなガスで空気がどのように作られるかを考慮する必要があります。一定の温度、圧力、体積では、乾燥空気は通常78％の窒素で作られています（N2）、21％酸素（O2）および1パーセントのアルゴン（Ar).
これらの分子が空気圧に与える影響を考慮するために、空気の質量を、それぞれ14原子単位の2原子の窒素、16原子単位の酸素2原子、18原子単位のアルゴン単一原子の合計として計算できます。 。
空気が完全に乾燥していない場合は、水分子（H2O）これは、2つの水素原子に対して2原子単位であり、単一の酸素原子に対して16原子単位です。空気の質量を計算すると、これらの化学成分が全体に均一に分布していると仮定し、乾燥空気中のこれらの化学成分の割合を計算できます。
密度の計算では、特定の重量、つまり重量と体積の比を使用することもできます。比重 γ （ "ガンマ"）は次の方程式で与えられます γ=（m * g）/ V =ρ* g 追加の変数を追加します g 重力加速度9.8 m / sの定数として2。この場合、質量と重力加速度の積はガスの重量であり、この値を体積で除算します V ガスの比重を教えてくれます。
空気密度計算機
Engineering Toolboxなどのオンライン空気密度計算機を使用すると、指定された温度と圧力での空気密度の理論値を計算できます。 Webサイトでは、さまざまな温度と圧力での値の空気密度表も提供しています。これらのグラフは、温度と圧力の値が高くなると密度と比重がどのように減少するかを示しています。
これを行うことができるのは、「同じ温度と圧力で、すべてのガスの体積が等しく、分子の数が同じである」というアボガドロスの法則によるものです。このため、科学者とエンジニアは、研究しているガスの量に関する他の情報を知っている場合、この関係を使用して温度、圧力、または密度を決定します。
これらのグラフの曲率は、これらの量の間に対数関係があることを意味します。理想的なガスの法則を再配置することにより、これが理論に一致することを示すことができます。 PV = mRT 圧力のために P、ボリューム V、ガスの質量 m、ガス定数 R （0.167226 J / kg K）および温度 T 取得するため ρ = P / RTで ρ 単位の密度 m / V 質量/体積（kg / m3）。理想的なガス法のこのバージョンでは、 R モルではなく質量単位のガス定数。
理想気体の法則の変化は、温度が上昇すると密度が対数的に増加することを示しています。 1 / T に比例 ρ. この逆の関係は、空気密度グラフと空気密度テーブルの曲率を表します。
空気密度と高度
乾燥空気は、2つの定義のいずれかに該当します。それはその中に水の痕跡のない空気である場合もあれば、より高い高度で変更できる低相対湿度の空気である場合もあります。 Omnicalculatorのような空気密度表は、高度に対して空気密度がどのように変化するかを示しています。 Omnicalculatorには、特定の高度での気圧を決定する計算機もあります。
高度が上昇すると、主に空気と地球の間の重力の引力により、気圧が低下します。これは、地球と空気の分子との間の重力の引力が減少し、より高い高度に行くときの分子間の力の圧力が小さくなるためです。
また、高地での重力により分子の重量が小さくなるため、分子自体の重量が小さくなるためです。これは、高度が高いと調理するのに時間がかかる理由を説明しています。なぜなら、食物の中のガス分子を励起するためにより多くの熱や高温が必要になるからです。
航空機の高度計、高度を測定する計器は、圧力を測定し、それを使用して通常は平均海面レベル（MSL）で高度を推定することでこれを利用します。全地球測位システム（GPS）は、実際の海抜距離を測定することにより、より正確な回答を提供します。
密度の単位
科学者とエンジニアは、主に密度がkg / mのSIユニットを使用します3。ケースおよび目的に基づいて、他の用途がより適切な場合があります。鉄のような固体物体の微量元素の密度などのより小さな密度は、一般にg / cmの単位を使用してより簡単に表現できます。3。密度のその他の可能な単位には、kg / Lおよびg / mLが含まれます。
密度の異なる単位間で変換する場合、体積の単位を変更する必要がある場合、指数要素として体積の3つの次元を考慮する必要があることに注意してください。
たとえば、5 kg / cmに変換する場合3 kg / mへ3、5に100を掛けます3、100だけでなく、5 x 10の結果を得るために6 kg / m3.
他の便利な変換には1 g / cmが含まれます3 = .001 kg / m3、1 kg / L = 1000 kg / m3 および1 g / mL = 1000 kg / m3。これらの関係は、目的の状況に対する密度単位の汎用性を示しています。
米国の慣習的な単位の基準では、メートルまたはキログラムの代わりに、それぞれフィートまたはポンドなどの単位を使用することに慣れている場合があります。これらのシナリオでは、1オンス/インチのようないくつかの便利な変換を思い出すことができます3 = 108 lb / ft3、1 lb / gal≈7.48 lb / ft3 および1 lb / yd3 ≈0.037ポンド/フィート3。これらの場合、これらの変換の数値は正確ではないため、≈は近似値を指します。
これらの密度の単位は、化学反応で使用される材料のエネルギー密度など、より抽象的な概念または微妙な概念の密度を測定する方法のより良いアイデアを提供します。これは、自動車が点火に使用する燃料のエネルギー密度、またはウランなどの元素にどれだけの核エネルギーを保存できるかなどです。
たとえば、空気の密度を帯電した物体の周りの電界線の密度と比較すると、異なる体積にわたって量を積分する方法をよりよく理解できます。