Kerapatan udara atau kerapatan atmosfer, dilambangkan ρ,^[1] adalah massa per satuan volume atmosfer Bumi pada suatu titik dan waktu tertentu. Kepadatan udara, seperti tekanan udara, berkurang seiring bertambahnya ketinggian. Kepadatan udara juga berubah seiring dengan variasi tekanan atmosfer, suhu, dan kelembapan. Menurut ISO International Standard Atmosphere (ISA), kerapatan udara standar di permukaan laut pada 101,325 kPa (abs) dan 15 °C (59 °F) adalah 1,2250 kg/m³ (0,07647 lb/cu ft).^[2] Pada suhu permukaan laut non-standar 20 °C (68 °F), massa jenis akan menurun hingga 1,204 kg/m³ (0,0752 lb/cu ft). Ini sekitar Templat:Fract dari air dengan massa jenis sekitar 1.000 kg/m³ (62 lb/cu ft).

Kepadatan udara merupakan properti yang digunakan dalam banyak cabang sains, teknik, dan industri, termasuk aeronautika;^[3][4][5] analisis gravimetrik;^[6] industri pendingin udara;^[7] penelitian atmosfer dan meteorologi;^[8][9][10] teknik pertanian (pemodelan dan pelacakan model Tanah-Tumbuhan-Atmosfer-Transfer (SVAT));^[11][12][13] dan komunitas teknik yang menangani udara bertekanan.^[14]

Tergantung pada instrumen pengukuran yang digunakan, berbagai perangkat Persamaan untuk menghitung kepadatan udara dapat diterapkan. Udara merupakan campuran gas dan perhitungan selalu menyederhanakan, pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil, sifat campuran tersebut.

Suhu

Jika hal-hal lain sama (terutama tekanan dan kelembapan), udara yang lebih panas kurang padat daripada udara yang lebih dingin dan dengan demikian akan naik sementara udara yang lebih dingin cenderung turun karena daya apung. Hal ini dapat dilihat dengan menggunakan hukum gas ideal sebagai perkiraan.

Udara kering

Kepadatan udara kering dapat dihitung menggunakan hukum gas ideal, yang dinyatakan sebagai fungsi suhu dan tekanan: $${\displaystyle {\begin{aligned}\rho &={\frac {p}{R_{\text{spesifik}}T}}\\R_{\text{spesifik}}&={\frac {R}{M}}={\frac {k_{\rm {B}}}{m}}\\\rho &={\frac {pM}{RT}}={\frac {pm}{k_{\rm {B}}T}}\\\end{aligned}}}$$

di mana:

• ${\displaystyle \rho }$, kepadatan udara (kg/m³)^{[note 1]}
• ${\displaystyle p}$, tekanan absolut (Pa)^{[note 1]}
• ${\displaystyle T}$, suhu termodinamika (K)^{[note 1]}
• ${\displaystyle R}$ adalah konstanta gas, 831.446.261.815.324 dalam J⋅K⁻¹⋅mol^{−1 [note 1]}
• ${\displaystyle M}$ adalah massa molar udara kering, sekitar 00.289.652 dalam kg⋅mol⁻¹.^{[note 1]}
• ${\displaystyle k_{\rm {B}}}$ adalah konstanta Boltzmann, 1.380.649×10⁻²³ dalam J⋅K^{−1[note 1]}
• ${\displaystyle m}$ adalah massa molekul udara kering, sekitar 481×10⁻²⁶ dalam kg.^{[note 1]}
• ${\displaystyle R_{\text{spesifik}}}$, tetapan gas untuk udara kering, yang menggunakan nilai-nilai yang disajikan di atas akan menjadi sekitar 287,0500676 dalam J⋅kg⁻¹⋅K⁻¹.^{[note 1]}

Oleh karena itu:

• Pada IUPAC suhu dan tekanan standar (0 °C dan 100 kPa), udara kering memiliki massa jenis sekitar 1,2754 kg/m³.
• Pada 20 °C dan 101,325 kPa, udara kering memiliki massa jenis 1,2041 kg/m³.
• Pada 70 °F dan 14,696 psi, udara kering memiliki kepadatan 0,074887 lb/ft³.

Tabel berikut menggambarkan hubungan kepadatan udara–suhu pada 1 atm atau 101,325 kPa:

Udara lembap

Penambahan uap air ke udara (yang membuat udara lembap) mengurangi kepadatan udara, yang mungkin awalnya tampak berlawanan dengan intuisi. Hal ini terjadi karena massa molar uap air (18 g/mol) lebih kecil daripada massa molar udara kering^{[note 2]} (sekitar 29 g/mol). Untuk setiap gas ideal, pada suhu dan tekanan tertentu, jumlah molekulnya konstan untuk volume tertentu (lihat Hukum Avogadro). Jadi, ketika molekul air (uap air) ditambahkan ke volume udara tertentu, molekul udara kering harus berkurang dengan jumlah yang sama, agar tekanan tidak meningkat atau suhu tidak menurun. Oleh karena itu, massa per satuan volume gas (densitasnya) berkurang.

Densitas udara lembap dapat dihitung dengan memperlakukannya sebagai campuran gas ideal. Dalam hal ini, tekanan parsial uap air dikenal sebagai tekanan uap. Dengan menggunakan metode ini, kesalahan dalam perhitungan densitas kurang dari 0,2% dalam kisaran −10 °C hingga 50 °C. Kepadatan udara lembap ditemukan oleh:^[15] $${\displaystyle \rho _{\text{udara lembap}}={\frac {p_{\text{d}}}{R_{\text{d}}T}}+{\frac {p_{\text{v}}}{R_{\text{v}}T}}={\frac {p_{\text{d}}M_{\text{d}}+p_{\text{v}}M_{\text{v}}}{RT}}}$$

di mana:

• ${\displaystyle \rho _{\text{udara lembap}}}$, kepadatan udara lembap (kg/m³)
• ${\displaystyle p_{\text{d}}}$, tekanan parsial udara kering (Pa)
• ${\displaystyle R_{\text{d}}}$, konstanta gas spesifik untuk udara kering, 287,058 J/(kg·K)
• ${\displaystyle T}$, suhu (K)
• ${\displaystyle p_{\text{v}}}$, tekanan uap air (Pa)
• ${\displaystyle R_{\text{v}}}$, konstanta gas spesifik untuk uap air, 461,495 J/(kg·K)
• ${\displaystyle M_{\text{d}}}$, massa molar udara kering, 0,0289652 kg/mol
• ${\displaystyle M_{\text{v}}}$, massa molar uap air, 0,018016 kg/mol
• ${\displaystyle R}$, Tetapan gas universal, 8,31446 J/(K·mol)

Tekanan uap air dapat dihitung dari tekanan uap jenuh dan kelembapan relatif. Tekanan ini ditemukan oleh: $${\displaystyle p_{\text{v}}=\phi p_{\text{sat}}}$$

di mana:

• ${\displaystyle p_{\text{v}}}$, tekanan uap air
• ${\displaystyle \phi }$, kelembapan relatif (0,0–1,0)
• ${\displaystyle p_{\text{sat}}}$, tekanan uap jenuh

tekanan uap air jenuh pada suhu tertentu adalah tekanan uap saat kelembapan relatif adalah 100%. Salah satu rumus adalah Persamaan Tetens dari^[16] yang digunakan untuk mencari tekanan uap jenuh adalah: $${\displaystyle p_{\text{sat}}=0,61078\exp \left({\frac {17,27(T-273,15)}{T-35,85}}\right)}$$ di mana:

• ${\displaystyle p_{\text{sat}}}$, tekanan uap jenuh (kPa)
• ${\displaystyle T}$, temperature (K)atmosfer di atas ketinggian h. Oleh karena itu, fraksi massa troposfer dari seluruh atmosfer diberikan menggunakan rumus perkiraan untuk p:

$${\displaystyle 1-{\frac {p(h=11{\text{ km}})}{p_{0}}}=1-\left({\frac {T(11{\text{ km}})}{T_{0}}}\right)^{\frac {gM}{RL}}\approx 76\%}$$

Untuk nitrogen, adalah 75%, sedangkan untuk oksigen adalah 79%, dan untuk karbon dioksida, 88%.

Variasi dengan ketinggian

Komposisi

Lihat juga

• Udara
• Gaya hambat
• Kepadatan
• Atmosfer Bumi
• Atmosfer Standar Internasional

Catatan

Referensi

• Conversions of density units ρ by Sengpielaudio
• Air density and density altitude calculations and by Richard Shelquist
• Air density calculations by Sengpielaudio (section under Speed of sound in humid air)
• Air density calculator by Engineering design encyclopedia Diarsipkan 2021-12-18 di Wayback Machine.
• Atmospheric pressure calculator by wolfdynamics
• Air iTools - Air density calculator for mobile by JSyA
• Revised formula for the density of moist air (CIPM-2007) by NIST