Много хора може да бъдат изненадани от факта, че въздухът има определено ненулево тегло. Точната стойност на това тегло не е толкова лесна за определяне, тъй като тя е силно повлияна от фактори като химичен състав, влажност, температура и налягане. Нека разгледаме по-отблизо въпроса колко въздух тежи.
Какво е въздух
Преди да отговорите на въпроса колко въздух тежи, е необходимо да разберете какво представлява това вещество. Въздухът е газообразна обвивка, която съществува около нашата планета и която е хомогенна смес от различни газове. Въздухът съдържа следните газове:
- азот (78,08%);
- кислород (20,94%);
- аргон (0,93%);
- водна пара (0,40%);
- въглероден диоксид (0,035%).
В допълнение към изброените по-горе газове, въздухът също съдържа минимални количества неон (0,0018%), хелий (0,0005%), метан (0,00017%), криптон (0,00014%), водород (0,00005%), амоняк (0,0003%).
Интересно е да се отбележи, чеМожете да разделите тези компоненти, ако кондензирате въздуха, тоест го превърнете в течно състояние чрез увеличаване на налягането и намаляване на температурата. Тъй като всеки компонент на въздуха има своя собствена температура на кондензация, по този начин е възможно да се изолират всички компоненти от въздуха, което се използва на практика.
Въздушно тегло и фактори, които го влияят
Какво ви пречи да отговорите точно на въпроса колко тежи един кубичен метър въздух? Разбира се, редица фактори, които могат значително да повлияят на това тегло.
Първо, това е химическият състав. По-горе са данните за състава на чистия въздух, но в момента този въздух е силно замърсен на много места на планетата, съответно неговият състав ще бъде различен. Така в близост до големите градове въздухът съдържа повече въглероден диоксид, амоняк, метан, отколкото въздухът в селските райони.
На второ място, влажността, тоест количеството водна пара, съдържаща се в атмосферата. Колкото по-влажен е въздухът, толкова по-малко тежи, при равни други условия.
Трето, температура. Това е един от важните фактори, колкото по-ниска е неговата стойност, толкова по-висока е плътността на въздуха и съответно по-голямо е теглото му.
Четвърто, атмосферно налягане, което директно отразява броя на въздушните молекули в определен обем, тоест теглото му.
За да разберем как комбинацията от тези фактори влияе върху теглото на въздуха, нека вземем прост пример: масата на един метър сух кубичен въздух при температура 25 ° C, разположен близо до повърхността на земята,е 1,205 kg, но ако разгледаме подобен обем въздух близо до морската повърхност при температура от 0 ° C, тогава масата му вече ще бъде равна на 1,293 kg, тоест ще се увеличи със 7,3%.
Промяна в плътността на въздуха с височина
С увеличаване на височината, налягането на въздуха намалява, съответно плътността и теглото му намаляват. Атмосферният въздух при налягания, които се наблюдават на Земята, може да се разглежда като идеален газ като първо приближение. Това означава, че налягането и плътността на въздуха са математически свързани помежду си чрез уравнението на състоянието на идеалния газ: P=ρRT/M, където P е налягане, ρ е плътност, T е температура в келвини, M е моларната маса на въздуха, R е универсалната газова константа.
От горната формула можете да получите формулата за зависимостта на плътността на въздуха от височината, като се има предвид, че налягането се променя според закона P=P0+ρ gh, където P 0 - налягане на земната повърхност, g - ускорение на свободно падане, h - височина. Замествайки тази формула за налягане в предишния израз и изразявайки плътността, получаваме: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) М ч). Използвайки този израз, можете да определите плътността на въздуха на всяка височина. Съответно теглото на въздуха (по-точно масата) се определя по формулата m(h)=ρ(h)V, където V е даден обем.
В израза за зависимостта на плътността от височината може да се забележи, че температурата и ускорението на свободното падане също зависят от височината. Последната зависимост може да се пренебрегне, ако говорим за височини не повече от 1–2 km. Що се отнася до температурата, тязависимостта от надморската височина е добре описана от следния емпиричен израз: T(h)=T0-0, 65h, където T0 е температура на въздуха близо до повърхността на земята.
За да не се изчислява постоянно плътността за всяка височина, по-долу е дадена таблица на зависимостта на основните характеристики на въздуха от височината (до 10 km).
Кой въздух е най-тежък
Като разгледахме основните фактори, които определят отговора на въпроса колко въздух тежи, можете да разберете кой въздух ще бъде най-тежък. Накратко, студеният въздух винаги тежи повече от топлия, тъй като плътността на последния е по-ниска, а сухият въздух тежи повече от влажния въздух. Последното твърдение е лесно за разбиране, тъй като моларната маса на въздуха е 29 g/mol, а моларната маса на водната молекула е 18 g/mol, тоест 1,6 пъти по-малко.
Определяне на теглото на въздуха при дадени условия
Сега нека решим конкретен проблем. Нека да отговорим на въпроса колко въздух тежи, заемайки обем от 150 литра, при температура 288 К. Помислете, че 1 литър е хилядна от кубичен метър, тоест 1 литър=0,001 m3. Що се отнася до температурата от 288 K, тя съответства на 15°C, тоест тя е типична за много региони на нашата планета. Следващата стъпка е да се определи плътността на въздуха. Има два начина да направите това:
- Изчислете, като използвате горната формула за височина от 0 метра над морското равнище. В този случай се получава стойността ρ=1,227 kg/m3
- Вижте таблицата по-горе, която се основава на T0=288,15 K. Таблицата съдържа стойността ρ=1,225 kg/m 3.
По този начин получихме две числа, които са в добро съгласие помежду си. Лека разлика се дължи на грешка от 0,15 K при определяне на температурата, а също и на факта, че въздухът все още не е идеален, а истински газ. Следователно за по-нататъшни изчисления вземаме средната стойност на двете получени стойности, тоест ρ=1, 226 kg/m3.
Сега, използвайки формулата за връзката между маса, плътност и обем, получаваме: m=ρV=1,226 kg/m30,150 m3=0,1839 кг или 183,9 грама.
Можете също да отговорите колко тежи един литър въздух при дадени условия: m=1,226 kg/m30,001 m3=0,001226 кг или приблизително 1,2 грама.
Защо не усетим как въздухът ни притиска
Колко тежи 1 m3 въздух? Малко над 1 килограм. Цялата атмосферна таблица на нашата планета оказва натиск върху човек с теглото си от 200 кг! Това е достатъчно голяма маса въздух, която може да причини много неприятности на човек. Защо не го усещаме? Това се дължи на две причини: първо, има и вътрешно налягане вътре в самия човек, което противодейства на външното атмосферно налягане, и второ, въздухът, като газ, упражнява налягане във всички посоки еднакво, тоест наляганията във всички посоки уравновесяват всяко друго.
