Пло́тность во́здуха — масса газа атмосферы Земли на единицу объёма или удельная масса воздуха при естественных условиях. Плотность воздуха является функцией от давления, температуры и влажности. Обычно стандартной величиной плотности воздуха на уровне моря в соответствии с Международной стандартной атмосферой принимается значение 1,2255 кг/м³, которая соответствует плотности сухого воздуха при 15 °С и давлении .
Взаимосвязи в пределах модели идеального газа Влияние температуры на свойства воздуха на уровне моря Температура Скоростьзвука Плотностьвоздухаиз уравненияКлапейрона Акустическоесопротивление, °С , м/с , кг/м³ , Н·с/м³ +35 351,96 1,1455 403,2 +30 349,08 1,1644 406,5 +25 346,18 1,1839 409,4 +20 343,26 1,2041 413,3 +15 340,31 1,2250 416,9 +10 337,33 1,2466 420,5 +5 334,33 1,2690 424,3 0 331,30 1,2920 428,0 −5 328,24 1,3163 432,1 −10 325,16 1,3413 436,1 −15 322,04 1,3673 440,3 −20 318,89 1,3943 444,6 −25 315,72 1,4224 449,1
Температура, давление и плотность Плотность сухого воздуха может быть вычислена с использованием уравнения Менделеева — Клапейрона для идеального газа при заданных температуре и давлении:
Здесь — плотность воздуха, — молярная масса ( для сухого воздуха), — абсолютное давление, — универсальная газовая постоянная, — абсолютная температура в кельвинах. Таким образом, подстановкой получаем: при стандартной атмосфере Международного союза теоретической и прикладной химии (температуре , давлении , нулевой влажности) плотность воздуха ; при , и сухом воздухе плотность атмосферы составляет .
В приведенной таблице даны различные параметры воздуха, вычисленные на основании соответствующих элементарных формул, в зависимости от температуры (давление взято равным ).
Влияние влажности воздуха Под влажностью понимается наличие в воздухе газообразного водяного пара, парциальное давление которого не превосходит давления насыщенного пара для данных атмосферных условий. Добавление водяного пара в воздух приводит к уменьшению его плотности, что объясняется более низкой молярной массой воды () по сравнению с молярной массой сухого воздуха ()Для любого газа в соответствии с законом Авогадро при постоянных температуре, давлении и объёме количество молекул остается неизменным, поэтому добавление молекул воды приводит к снижению плотности воздуха.. Влажный воздух может рассматриваться как смесь идеальных газов, комбинация плотностей каждого из которых позволяет получить требуемое значение для их смесиEquations — Air Density and Density Altitude . Подобная интерпретация позволяет определять значение плотности с относительной погрешностью менее в диапазоне температур от −10 до и может быть выражена следующим образом:
где — плотность влажного воздуха (кг/м³); — парциальное давление сухого воздуха (Па); — газовая постоянная для сухого воздуха (); — температура (K); — давление водяного пара (Па) и — постоянная для пара ().
Давление водяного пара может быть определено исходя из относительной влажности:
где — давление водяного пара; — относительная влажность; — парциальное давление насыщенного пара.
Парциальное давление насыщенного пара может быть представлено в виде следующего упрощенного выражения:
которое дает результат в миллибарах.
Давление сухого воздуха определяется разностью:
где обозначает абсолютное давление рассматриваемой системы.
Влияние высоты над уровнем моря в тропосфере
Для вычисления плотности воздуха на определённой высоте в тропосфере (формула справедлива для высот менее ) могут использоваться следующие параметры (в параметрах атмосферы указано значение для стандартной атмосферы): стандартное атмосферное давление на уровне моря — = ; стандартная температура на уровне моря — = ; ускорение свободного падения над поверхностью Земли — = 9,80665 м/с2 (при данных вычислениях считается независимой от высоты величиной); среднее значение вертикальной компоненты градиента температуры в тропосфере (см. Стандартная атмосфера) — = -0,0065 К/м (знак минус перед градиентом означает, что температура с высотой падает. Однако в атмосфере есть области с положительными значениями градиента температуры: на высотах с 35 до , а также выше ); универсальная газовая постоянная — = ; молярная масса сухого воздуха — = .
Для тропосферы (то есть области линейного убывания температуры — это единственное свойство тропосферы, используемое здесь) температура на высоте над уровнем моря может быть задана формулой:
Давление на высоте :
Тогда плотность может быть вычислена подстановкой соответствующих данной высоте температуры и давления в формулу:
Эти три формулы (зависимость температуры, давления и плотности от высоты) и использованы для построения графиков, приведенных справа. Графики нормализованы — показывают общий вид поведения параметров. «Нулевые» значения для верных вычислений нужно каждый раз подставлять в соответствии с показаниями соответствующих приборов (термометра и барометра) на данный момент на уровне моря.
См. также
Стандартная атмосфера
Примечания
Ссылки Conversions of density units ρ Air density and density altitude calculations Reference manual for air density, density altitude, and grains of water Air density, density altitude, grains of water calculator by region
Категория:Плотность Категория:Воздух Категория:Метеорология Категория:Климатология