Плотность Воздуха

Почему Плотность Воздуха Важна?

Любой предмет, помещенный в жидкость, подвергается действию двух противоположных вертикальных сил, сила притяжения полкает его вниз, а выталкивающая сила подталкивает вверх.

Если предмет остановился и балансирует, то результат этих двух сил можно определить по шкале. Все знают принцит Архимеда с раннего возраста о том, что предмет становится легче в воде, чем в воздухе, но не все знают, что воздух тоже имеет выталкивающую силу, также, как и вода.

Это означает, что если предмет взвешивается в воздухе, то весы показывают меньшее значение, чем когда взвешивается в вакууме (гипотетическое значение в вакууме было бы эквивалентно массе предмета). Поэтому для точного взвешивания необходимо вносить корректировки с учетом выталкивающей силы воздуха, которая пропорциональна объему взвешиваемого предмета и плотности воздуха. Объем предмета определяется гидростатическим взвешиванием, в то время, как измерение плотности воздуха и дальнейшее применение этого значения рассматривается ниже.

Корректировки Выталкивающей Силы Воздуха

Как только известна плотность воздуха, это дает возможность рассчитать выталкивающую силу воздуха для предмета, зная его объем. Много лет назад в понятиях массы и веса было установлено определение условной массы. Это было предложено для минимизации эффекта влияния выталкивающей силы воздуха при калибровке массы предметов. Это соглашение предполагает, что рассматриваемый образец изготовлен из стали с плотностью точно 8000 кг/м³, и взвешивается в воздухе с плотностью 1.2 кг/м³. Фактически каждый сертификат калибровки массы использует это соглашение. Перед тем, как вносить какие-либо корректировки выталкивающей силы воздуха, необходимо учитывать формальное определение массы и условной массы.

Применение Выталкивающей Силы Воздуха

В следующей таблице приведены коэффициенты для выталкивающей силы воздуха для различных материалов в сравнении с весом стальных гирь в воздухе стандартной плотности (1.2 кг/м³) на истинном значении массы.

Материал в Сравнении со СтальюКорректировки Выталкивающей силы (ppm)
Платино-Иридий94
Вольфрам88
Медь8
Безупречная сталь7.5*
Чугун24
Алюминий294
Силикон365
Вода875

* Это сравнение результатов двух типов безупречной стали с плотностью 7.8 и 8.2 г/см³

Таблица показывает, что когда сравниваются взвешивания того же самого материала (как безупречная сталь), внимание должно быть обращено на эффект выталкивающей силы воздуха, если нужна лучшая погрешность при измерениях. Когда сравниваются взвешивания разных материалов, значение выталкивающей силы становится более существенным и должно учитываться даже при обычных калибровках, когда измеряется объем истинной массы.

Когда сравниваются взвешивания в воздухе, корректировки становятся небольшими, и соответствуют корректировкам, приведенным в таблице 1. Работа с условной массой базируется на корректировке, связанной с выталкивающей силой воздуха со стандартной плотностью величиной 1.2 кг/м³.

В рекомендациях OIML R 33 используется интервал плотности воздуха от 1.1 до 1.3 кг/м³ (т.е. примерно ± 10% от стандартной плотности воздуха), что означает, что корректировки составляют приблизительно одну десятую от истинной массы. Это, вместе с пределами. указанными в OIML R 33 для плотности взвешиваний Класса от E1 до M3, означает, что максимальная корректировка для любого взвешивания составляет четвертую часть от их интервала. Это вообще не существенно для взвешиваний Класса F1 и ниже, но для взвешиваний Класса E1 и E2, корректировки с учетом выталкивающей силы воздуха должны проводиться для того, чтобы достигнуть необходимой точности измерений.

Масса

Истинная Масса

Масса тела есть количество материала, из которого оно состоит. В терминах калибровки веса, это упомянуто, чтобы различать истинную массу от обычной массы, как значение веса (см. ниже). Простой способ представить истинную массу — это получить значение веса в вакууме, то есть, если бы это тело было взвешено в вакууме( без выталкивающей силы воздуха).

Международный прототип килограмма, который признан единицей измерения во всем мире, определен как истинная масса точно 1 килограмма. Все высокоточные передачи единиц измерения должны быть выполнены на основе истинной массы (включая класс E1 калибровки), хотя величины обычно конвертируются к общепринятой условной массе как указано в сертификате.

При измерении плотности артефакта гидростатическим взвешиванием, истинная масса артефакта и любые взвешивания в воздухе (скорректированные на выталкивающую силу воздуха), должны использоваться.

Условная Масса

Значение, которое обычно указывается в сертификате, это условная масса-результат взвешивания в воздухе , в соответствии с Международными Рекомендациями OIML R 33.

Для взвешивания при 20°C, условная масса есть рекомендованный образец с плотностью 8000кг/м³, который балансирует в воздухе с плотностью 1.2кг/м³ .Уравнения преобразования между двумя типами массы приведены ниже:

\(M_c = M \times (1 + ((\frac{1}{8000} - \frac{1}{p}) \times 1.2)) \)

\(M = M_c \times (1 + ((\frac{1}{p} - \frac{1}{8000}) \times 1.2)) \)

where:

  • M есть значение истинной массы
  • Mc это значение условной массы
  • ρ это плотность образца в кг/м³
  • 8000 это условная плотность образца в кг/м³
  • 1.2 это условная плотность воздуха в кг/м³

ССылки

  1. Davis R. S., Equation for the Determination of the Density of Moist Air (1981/91), Metrologia, 1992, 29, 67-70.
  2. Giacomo P., Equation for the Determination of the Density of Moist Air (1981), Metrologia, 1982, 18, 33-40.
  3. Wexler A., Vapour Pressure Formulation for Water in the Range 0 to 100°C. A revision. J. Res. Nat. Bur. Stand. 1976, 80A, 775-785.
  4. Greenspan L., Functional Equations for the Enhancement Factors for CO2-free Moist Air. J. Res. Nat. Bur. Stand. 1976, 80A, 41-44.
  5. Good Practice Guidance Note, NPL, Buoyancy Correction and Air Density Measurement.Ра