用理想气体定律计算不同压力和温度下的空气密度
简介
空气的密度随着压力和温度的变化而显著变化，那么如何在不同压力和温度下找到所需的空气密度，例如阻力计算，管道或管道中流动的摩擦损失，或用皮托管测定空气速度。理想气体方程和理想气体常数表示理想气体定律，为计算不同压力和温度下的空气密度提供了一种方法。虽然本文主要是关于确定空气的密度，但在已知温度和气体压力下，其他气体的密度也可以用理想气体定律以同样的方式估计出来。
理想气体定律方程
你可能熟悉理想气体定律的常用形式:PV = nRT。用理想气体常数r，这个方程给出了n摩尔理想气体的压强、P、体积、V和温度T之间的关系。我们可以利用分子质量(MW)以质量/摩尔为单位，从而n = m/MW，把气体的密度引入方程，理想气体定律可以写成:PV = (m/MW)RT。注意到m/V是密度ρ，方程可以写成P(MW) = (m/V)RT = ρRT。解密度得到了理想气体的密度与MW、压力和温度的关系。
ρ = (mw) p / rt
常用的美国单位如下:
ρ =气体在鼻涕虫中的密度/ft3，
MW =气体在鼻涕虫中的分子量/鼻涕虫摩尔(或kg/kgmole等)(注:空气的MW = 29)，
P = psia中的绝对气体压力(注:绝对压力等于压力表测量的压力加上大气压力)，
T = oR中气体的绝对温度(注:oR = of + 459.67)
R =理想气体常数= 345.23 psia-ft3/slugmol - or。
如果我们可以把空气看作理想气体，那么这种形式的理想气体定律就可以用来计算不同压力和温度下空气的密度。
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但是，我能用理想气体定律来计算空气的密度吗?
这是一个很好的问题，因为空气在管道中的摩擦损失、阻力，或者皮托管计算，确实是一种真实气体，而不是理想气体。然而，幸运的是，许多真实气体在很宽的温度和压力范围内表现得几乎完全像理想气体。理想气体定律不适用于非常低的温度(接近气体的临界温度)或非常高的气体压力(接近气体的临界压力)。然而，对于许多实际情况，理想气体定律给出了不同压力和温度下空气(和许多其他气体)密度的相当精确的值。
理想气体定律的SI单位
理想气体常数R的单位可以转换成任何方便的单位集合，使得理想气体定律适用于任何一致的单位集合。对于SI单位，理想气体定律参数如下:
ρ =密度，单位为kg/m3，
P =绝对气体压力，单位为帕斯卡(N/m2)，
T = oK中的绝对温度(注:oK = oC + 273.15)
R =理想气体常数= 8314.5焦耳/千克摩尔- k
例:不同压力和温度下空气密度的计算
示例1:计算空气密度为75oF，压力为14.9 psia。
解决方案: T = 75 + 459.67oR = 534.25oR;将值代入理想气体定律:
ρ= P / RT (MW) =(29)(14.9) /((345.23)(534.25))(蛞蝓/ slugmole) (psia) / ((psia-ft3 / slugmole-oR)(或)]
＝0.002343蛞蝓/英国《金融时报》3.
示例2:计算45摄氏度和100,000帕斯卡绝对压力下的空气密度
解决方案:T = 45 + 273.15 k = 318.15 k;将值代入理想气体定律:
p = (MW) p / RT =(29)(100000) /(8314.5)(318.15)(公斤/ kgmole) (N / m2) /((焦耳/ kgmole-K) (K)] =1.10公斤/米3.
参考文献
欲知更多资料:
1.哈兰·H·本特森，管道流量测量，专业工程师在线课程，https://www.online-pdh.com/engcourses/file.php/90/Course_Content_-_Flow_Measurement_in_Pipes_and_Ducts-1.pdf
2.孟森，B. R.，杨，D. F. &冲石，T. H.，流体力学基础，第四版，纽约:约翰·威利父子公司，2002年。
3.应用热力学电子书，https://www.taftan.com/thermodynamics/
