كثافة الهواء

كثافة الهواء (تعطى الرمز اليوناني رو ρ)، هي الكتلة لكل وحدة حجم من الغلاف الجوي. وهي قيمة هامة ومفيدة في علم الطيران ومجالات أخرى. تقل كثافة الهواء بزيادة الارتفاع فوق سطح البحر (كما يقل أيضا الضغط الجوي. كما أنها تقل مع زيادة الحرارة أو الرطوبة. في منسوب سطح البحر ودرجة حرارة 20 مئوية، للهواء كثافة تعادل 1.2 كجم\م³ تقريبا.

تأثير الحرارة والضغط

من الممكن حساب كثافة الهواء الجاف باستخدام قانون الغازات المثالية بوضعه كدالة رياضية في الحرارة والضغط:

$\rho ={\frac {p}{R\cdot T}}\,$

حيث:

• ρ: كثافة الهواء.
• p: الضغط.
• R: ثابت الغازات العام للهواء الجاف.
• T: الحرارة.

يساوي ثابت الغازات العام للهواء الجاف 287.05 جول / كجم * كلفن بنظام الوحدات الدولي (53.35 قدم * رطل قوة بنظام الوحدات الأمريكي.

إذن:

• بنظام الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية للحرارة والضغط (0 مئوية و100 كيلو بسكال) للهواء الجاف كثافة مقدارها 1.2754 كجم/م³.

• عند درجة حرارة 20 مئوية و 101.325 كيلو بسكال/ للهواء الجاف كثافة مقدارها 1.2041 كجم/م³.

• عند درجة حرارة 70 فهرنهايت و14.696 رطل/بوصة²، للهواء الجاف كثافة مقدارها 0.074887 رطل/قدم³.

تأثير بخار الماء

إضافة بخار الماء إلى العواء (مما يجعل الهواء رطباً) يقلل من كثافة الهواء على العكس مما قد يبدو منطقيا أنها ستزيد لا تقلل من كثافته.

يحدث هذا لأن الكتلة الجزيئية للماء (18) أقل من الكتلة الجزيئية للهواء (حوالي 29). لأي غاز في حرارة وضغط محددين، عدد الجزيئات الموجود ثابت لحجم محدد. ولهذا فإن جزيئات الماء (على هيئة بخار) تدخل في الهواء، يجب أن تختزل جزيئات الهواء بنفس العدد في الحجم المعين بدون زيادة الحرارة أو الضغط، وبالتالي فإن الكتلة لكل وحدة حجم (الكثافة) تقل.

من الممكن حساب كثافة الهواء الرطب باعتباره مزيجا من الغازات المثالية. في هذه الحالة، تسمى الكثافة الجزئية لبخار الماء بكثافة البخار. باستخدام هذه الطريقة، يكون الخطأ في حساب الكثافة أقل من 0.2% في مدى -10 إلى 50 درجة مئوية. من الممكن إيجاد كثافة الهواء الرطب بالقانون التالي:

$\rho ~_{_{humid~air}}={\frac {p_{d}}{R_{d}\cdot T}}+{\frac {p_{v}}{R_{v}\cdot T}}\,$

حيث:

• $\rho ~_{_{humid~air}}$: كثافة الهواء الرطب (كجم/م³).
• $p_{d}$: الضغط الجزئي لكثافة الهواء (باسكال).
• $R_{d}=$: ثابت الغازات العام للهواء الجاف، 287.05 جول / كجم * كلفن.
• math>T =</math>: الحرارة (كلفن).
• math>p_{v} =</math>: ضغط بخار الماء (باسكال).
• $R_{d}=$: ثابت الغازات العام لبخار الماء 461.495 جول / كجم * كلفن.

أهمية الحرارة

جدول يوضح علاقة الحرارة بسرعة الصوت وكثافة الهواء والمقاومة السمعية

Effect of temperature
الحرارة	سرعة الصوت	كثافة الهواء	المقاومة السمعية
$\vartheta$ بالدرجة مئوية	c بالمتر/ث	ρ بالكغم/متر³	Z بالنيوتن/متر³
−25	315.8	1.423	449.4
−20	318.9	1.395	444.9
−15	322.1	1.368	440.6
−10	325.2	1.342	436.1
−5	328.3	1.317	432.0
0	331.3	1.292	428.4
+5	334.3	1.269	424.3
+10	337.3	1.247	420.6
+15	340.3	1.225	416.8
+20	343.2	1.204	413.2
+25	346.1	1.184	409.8
+30	349.0	1.164	406.2
+35	351.9	1.146	403.3 المصادر