Gostôta zráka je fizikalna količina kot masa na enoto prostornine ozračja. Kakor zračni tlak se z večanjem nadmorske višine zmanjšuje eksponentno. Na nadmorski višini 2000 m je gostota zraka le še približno 75 % vrednosti ob morski gladini.. Na morski gladini in temperaturi 15 °C je gostota zraka približno 1,225 kg/m3 (0,001225 g/cm3) po MSA (mednarodna standardna atmosfera, ISA)
Gostota zraka se spreminja tudi s spreminjanjem temperature ali vlažnosti. Vrednost gostote se z nadmorsko višino hitreje spreminja v mrzlem (gostejšem) zraku, ter počasneje v vročem (redkejšem) zraku. Povprečno temperatura pada linearno z navpičnim temperaturnim gradientom .
Gostota zraka je značilnost, ki se uporablja na mnogih področjih znanosti, kot na primer aeronavtiki,.ICAO, Manual of the ICAO Standard Atmosphere (extended to 80 kilometres (262 500 feet)), Doc 7488-CD, Third Edition, 1993, ISBN 92-9194-004-6.. gravimetriji;. industriji prezračevanja zraka,. raziskavah ozračja in meteorologiji,... kmetijski tehniki pri modeliranju in sledenju prenosa zemlje, vegetacije in ozračja (modeli SVAT)... in tehniški srenji, ki se ukvarja s stisnjenim zrakom,. od industrijskih pripomočkov, procesov segrevanja, sušenja in hlajenja v industriji, kot so hladilni stolpi, vakuumski procesi in procesi globokega vakuuma, visokotlačnih procesih, procesih izgorevanja plinov in lahke nafte, ki poganjajo turbinsko gnana letala, generatorje gnane s plinskimi turbinami in grelne peči, ter prezračevanju zraka v globokih rudnikih do vesoljskih kapsul.
Računanje gostote zraka thumb|right|250px|Odvisnost zračnega tlaka in gostote zraka od nadmorske višine (do 600 km)
Odvisno od merilnih priprav, uporabe, področja strokovnega znanja in potrebne strogosti rezultatov se za računanje gostote zraka uporabljajo različni računski kriteriji in nabori enačb. Ta tema so nekateri primeri izračunov z vključenimi glavnimi spremenljivkami, za vrednosti, predstavljene v teh primerih so pravilno navedene običajne vrednosti. Različne vrednosti se lahko najdejo v drugih virih, kar je odvisno od kriterijev uporabljenih za izračun. Poleg tega je treba biti pozoren na dejstvo, da je zrak zmes plinov in se izračun vedno poenostavi, v večji ali manjši meri značilnosti zmesi in vrednosti za sestavo v skladu s kriteriji za izračun. + Vpliv temperature na značilnosti zraka pri tlaku 101,325 kPa temperatura [°C] hitrost zvoka [m/s] gostota zraka [kg/m3] akustična impedanca [Pa·s/m] +85 0,986 +80 1,000 +75 1,014 +70 1,029 +65 1,044 +60 1,060 +55 1,076 +50 1,092 +40 1,127 +35 351,88 1,1455 403,2 +30 349,02 1,1644 406,5 +25 346,13 1,1839 409,4 +20 343,21 1,2041 413,3 +15 340,27 1,2250 416,9 +10 337,31 1,2466 420,5 +5 334,32 1,2690 424,3 ±0 331,30 1,2922 428,0 −5 328,25 1,3163 432,1 −10 325,18 1,3413 436,1 −15 322,07 1,3673 440,3 −20 318,94 1,3943 444,6 −25 315,77 1,4224 449,1 −30 −35 −40
Spremenljivke gostote zraka
Temperatura in tlak
Gostota suhega zraka se lahko izračuna iz splošne plinske enačbe, izražene kot funkcija absolutne temperature in tlaka:
kjer je:
– gostota zraka [kg/m3] – absolutni tlak [Pa] – absolutna temperatura [K] – specifična plinska konstanta suhega zraka [J/(kg·K)]
Specifična plinska konstanta suhega zraka je 287,057978 J/(kg·K) v enotah SI. Ta količina se lahko malo spreminja glede na molekularno zgradbo zraka na določenem mestu.
Tako je: pri standardnih pogojih IUPAC (0 °C in 100 kPa) gostota suhega zraka 1,2754 kg/m3. pri 20 °C in 101,325 kPa gostota suhega zraka 1,2041 kg/m3.
Vlažnost (vodna para)
Dodajanje vodne pare zraku ga vlaži in zmanjšuje njegovo gostoto, kar se morda na prvi pogled zdi v nasprotju z intuicijo. To je zaradi tega, ker je molska masa vode (18 g/mol) manjša od molske mase suhega zraka (približno 29 g/mol). Za poljuben plin je pri dani temperaturi in tlaku število prisotnih molekul konstantno za določeno prostornino (Avogadrov zakon). Če se tako vodne molekule (vodne pare) pri dani prostornini dodajo zraku, se mora za enako mero zmanjšati število molekul suhega zraka, da se tlak ali temperatura ne povečata. Zaradi tega se masa na enoto prostornine plina (njegova gostota) povečuje.
Gostoto vlažnega zraka se lahko izračuna kot mešanico idealnih plinov. V tem primeru je delni tlak vodne pare znan kot parni tlak. Na ta način je napaka računanja gostote manjša od 0,2 % v območju od −10 °C do +50 °C. Gostota vlažnega zraka () je:
.
kjer je: – gostota vlažnega zraka [kg/m³] – delni tlak suhega zraka [Pa] – specifična plinska konstanta suhega zraka, 287,057978 J/(kg·K) – temperatura [K] – tlak vodne pare [Pa] – specifična plinska konstanta vodne pare, 461,495 J/(kg·K) – molska masa suhega zraka, 0,028964 kg/mol – molska masa vodne pare, 0,018016 kg/mol – splošna plinska konstanta, 8,3144621(75) J/(K·mol)
thumb|right|250px|Gibanje helikopterskega rotorja vodi do tlačne razlike med ploskvami zgornjih in spodnjih lopatic, kar omogoča helikopterju letenje. Posledica tlačne razlike je krajevna sprememba gostote zraka, ki je največja na mejni plasti ali pri transoničnih hitrostih. Tlak vodne pare se lahko izračuna iz parnega tlaka nasičenja in relativne vlažnosti. Pri tem velja:
kjer je: – parni tlak vode – relativna vlažnost – parni tlak nasičenja
Parni tlak vode nasičenja pri dani temperaturi je parni tlak pri relativni vlažnosti 100 %. Ena od formul za izračun parnega tlaka nasičenja je:.
kjer je temperatura v stopinjah Celzija.
Opomba: * Po tej formuli bo vrednost za tlak v hPa (100 Pa, kar je enakovredno starejši enoti milibar, 1 mbar = 0,001 bar = 0,1 kPa)
Delni tlak suhega zraka je dan z:
Tu je s označen opazovani absolutni tlak.
Nadmorska višina thumb|right|250px|Standardna atmosfera: p0 = 101,325 kPa, T0 = 288,15 K, = 1,226 kg/m3
Za izračun gostote zraka kot funkcije nadmorske višine so potrebni dodatni parametri. Navedeni so spodaj skupaj z vrednostmi po mednarodni standardni atmosferi in računani s splošno plinsko konstanto namesto s specifično konstanto za zrak:
– standardni zračni tlak na morski gladini, 101,325 kPa – standardna temperatura na morski gladini, 288,15 K – Zemljin težni pospešek, 9,80665 m/s2 – stopnja navpičnega padanja temperature, 0,0065 K/m – splošna plinska konstanta, 8,3144621(75) J/(K·mol) – molska masa suhega zraka, 0,0289644 kg/mol
Temperatura na nadmorski višini metrov nad morsko gladino je približno vzeta po naslednji formuli (veljavni le znotraj troposfere):
Zračni tlak na nadmorski višini je dan z:
Gostota se lahko izračuna po molski obliki splošne plinske enačbe:
kjer je:
– molska masa – splošna plinska konstanta – absolutna temperatura – absolutni tlak v Pa in ne kot zgoraj v kPa.
+ Vpliv nadmorske višine na tlak, temperaturo in gostoto zraka nadmorska višina [m] zračni tlak [mbar] temperatura [°C] gostota zraka [kg/m³] 0 1013 +15,0 1,225 111 1000 +14,3 1,212 988 900 +8,6 1,113 1949 800 +2,6 1,012 16.180 100 -56,5 0,161
Sestava zraka
Sestava zraka za vsak nabor enačb se razlikuje glede na uporabljene vire. V razpredelnici je navedeno nekaj primerov sestave zraka glede na vire. Navkljub majhnih razlik za definicijo vseh formulacij se predvidena molska masa suhega zraka razlikuje, kar je prikazano v razpredelnici. Nekateri primeri niso normalizirani, da bi bila sestava enaka enoti (100 %), in jih je pred uporabo treba normalizirati.
+ Sestava suhega ozračja po prostornini plin (in drugo) prostorninaDelni viri za vrednosti: osnovne sestavine: Nasa earth factsheet , (posodobljeno 2014-03). Ogljikov dioksid: NOAA Earth System Research Laboratory, (uposodobljeno 2014-03). Metan in didušikov oksid: The NOAA Annual greenhouse gas index(AGGI) Greenhouse gas-Figure 2 , (posodobljeno). prostornina po CIPM-2007 prostornina po ASHRAE prostornina po Schlatter. prostornina po ICAOICAO, Manual of the ICAO Standard Atmosphere (razširjeno na 80 km), Doc 7488-CD, Third Edition, (1993), ISBN 92-9194-004-6. str. E-x tabela B prostornina po US StdAtm76U.S. Committee on Extension to the Standard Atmosphere (COESA) (1976) U.S. Standard Atmosphere, 1976 str. 03 tabela 3 ▼ Klikni to besedilo <p>za razširitev ali zaprtje stolpcev ▲ ppmv percentil ppmv percentil ppmv percentil ppmvpercentil ppmvpercentil ppmvpercentil dušik (N2) 780.800 (78,080 %) 780.848 (78,0848 %) 780.818 (78,0818 %) 780.840 (78,084 %) 780.840 (78,084 %) 780.840 (78,084 %) kisik (O2) 209.500 (20,950 %) 209.390 (20,9390 %) 209.435 (20,9435 %) 209.460 (20,946 %) 209.476 (20,9476 %) 209.476 (20,9476 %) argon (Ar) 9.340 (0,9340 %) 9.332 (0,9332 %) 9.332 (0,9332 %) 9.340 (0,9340 %) 9.340 (0,9340 %) 9.340(0,9340 %) ogljikov dioksid (CO2) 397,8 (0,03978 %) 400 (0,0400 %) 385 (0,0385 %) 384 (0,0384 %) 314 (0,0314 %) 314 (0,0314 %) neon (Ne) 18,18 (0,001818 %) 18,2 (0,00182 %) 18,2 (0,00182 %) 18,18 (0,001818 %) 18,18 (0,001818 %) 18,18(0,001818 %) helij (He) 5,24 (0,000524 %) 5,2 (0,00052 %) 5,2 (0,00052 %) 5,24 (0,000524 %) 5,24(0,000524 %) 5,24(0,000524 %) metan (CH4) 1,81 (0,000181 %) 1,5 (0,00015 %) 1,5 (0,00015 %) 1,774 (0,0001774 %) 2 (0,0002 %) 2(0,0002 %) kripton (Kr) 1,14 (0,000114 %) 1,1 (0,00011 %) 1,1 (0,00011 %) 1,14 (0,000114 %) 1,14 (0,000114 %) 1,14(0,000114 %) vodik (H2) 0,55 (0,000055 %) 0,5 (0,00005 %) 0,5 (0,00005 %) 0,56 (0,000056 %) 0,5 (0,00005 %) 0,5 (0,00005 %) didušikov oksid (N2O) 0,325 (0,0000325 %) 0,3 (0,00003 %) 0,3 (0,00003 %) 0,320 (0,0000320 %) 0,5(0,00005 %) - - ogljikov monoksid (CO) 0,1 (0,00001 % ) 0,2 (0,00002 %) 0,2 (0,00002 %) - - - - - - ksenon (Xe) 0,09 (0,000009 %) 0,1 (0,00001 %) 0,1 (0,00001 %) 0,09(0,000009 %) 0,087 (0,0000087 %) 0,087 (0,0000087 %) dušikov dioksid (NO2) 0,02 (0,000002 %) - - - - - - do 0,02 do (0,000002 %) - - jod (I2) 0,01 (0,000001%) - - - - - - do 0,01 do (0,000001 %) - - amonijak (NH3) sledi sledi - - - - - - - - - - žveplov dioksid (SO2) sledi sledi - - - - - - do 1,00 do (0,0001 %) - - ozon (O3) 0,02 do 0,07 (2 do 7 %) - - - - 0,01 do 0,10 (1 do 10%) do 0,02 / 0,07 do (2 / 7%) - - sledi do 30 ppm (----) - - - - 2,9 (0,00029 %) - - - - - - skupno suhi zrak (zrak) 1.000.065,265 (100,0065265 %) 999.997,100 (99,9997100 %) 1.000.000,000 (100,0000000 %) 1.000.051,404 (100,0051404 %) 999.998,677 (99,9998677 %) 1.000.080,147 (100,0080147 %)ni vključeno v zgornje suho ozračje: vodna para (H2O)~0,25 % po masi čez polno ozračje, krajevno 0,001 %–5 % po prostornini..~0,25 % po masi čez polno ozračje, krajevno 0,001 %–5 % po prostornini.
Raba v meteorologiji
V meteorologiji se pogosto rabi tudi obratna vrednost gostote zraka in opisuje velikost kot specifična prostornina :
Modeli ozračij
Homogeno ozračje
hidrostatična enačba:
višinska enačba :
Izotermno ozračje
barometrska enačba:
višinska enačba:
Realno ozračje ,
enačba realnega ozračja:
višinska enačba:
Primerjava z drugimi plini