Πολλοί άνθρωποι μπορεί να εκπλαγούν από το γεγονός ότι ο αέρας έχει ένα συγκεκριμένο μη μηδενικό βάρος. Η ακριβής τιμή αυτού του βάρους δεν είναι τόσο εύκολο να προσδιοριστεί, αφού επηρεάζεται έντονα από παράγοντες όπως η χημική σύνθεση, η υγρασία, η θερμοκρασία και η πίεση. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στο ερώτημα πόσο ζυγίζει ο αέρας.
Τι είναι ο αέρας
Πριν απαντήσετε στην ερώτηση πόσο ζυγίζει ο αέρας, είναι απαραίτητο να καταλάβετε τι είναι αυτή η ουσία. Ο αέρας είναι ένα αέριο κέλυφος που υπάρχει γύρω από τον πλανήτη μας και το οποίο είναι ένα ομοιογενές μείγμα από διάφορα αέρια. Ο αέρας περιέχει τα ακόλουθα αέρια:
- άζωτο (78,08%);
- οξυγόνο (20,94%);
- argon (0,93%);
- υδρατμοί (0,40%);
- διοξείδιο του άνθρακα (0,035%).
Εκτός από τα αέρια που αναφέρονται παραπάνω, ο αέρας περιέχει επίσης ελάχιστες ποσότητες νέον (0,0018%), ήλιο (0,0005%), μεθάνιο (0,00017%), κρυπτόν (0,00014%), υδρογόνο (0,00005%), αμμωνία (0,0003%).
Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότιΜπορείτε να διαχωρίσετε αυτά τα εξαρτήματα εάν συμπυκνώσετε τον αέρα, δηλαδή τον μετατρέψετε σε υγρή κατάσταση αυξάνοντας την πίεση και μειώνοντας τη θερμοκρασία. Δεδομένου ότι κάθε συστατικό του αέρα έχει τη δική του θερμοκρασία συμπύκνωσης, με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό να απομονωθούν όλα τα συστατικά από τον αέρα, κάτι που χρησιμοποιείται στην πράξη.
Βάρος αέρα και παράγοντες που τον επηρεάζουν
Τι σας εμποδίζει να απαντήσετε ακριβώς στην ερώτηση, πόσο ζυγίζει ένα κυβικό μέτρο αέρα; Φυσικά, μια σειρά από παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό αυτό το βάρος.
Πρώτον, είναι η χημική σύνθεση. Παραπάνω είναι τα δεδομένα για τη σύνθεση του καθαρού αέρα, ωστόσο, προς το παρόν αυτός ο αέρας είναι πολύ μολυσμένος σε πολλά μέρη του πλανήτη, αντίστοιχα, η σύνθεσή του θα είναι διαφορετική. Έτσι, κοντά σε μεγάλες πόλεις, ο αέρας περιέχει περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα, αμμωνία, μεθάνιο από τον αέρα στις αγροτικές περιοχές.
Δεύτερον, η υγρασία, δηλαδή η ποσότητα υδρατμών που περιέχεται στην ατμόσφαιρα. Όσο πιο υγρός είναι ο αέρας, τόσο λιγότερο ζυγίζει, τα άλλα πράγματα είναι ίσα.
Τρίτο, θερμοκρασία. Αυτός είναι ένας από τους σημαντικούς παράγοντες, όσο χαμηλότερη είναι η τιμή του, τόσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα του αέρα και, κατά συνέπεια, τόσο μεγαλύτερο είναι το βάρος του.
Τέταρτον, η ατμοσφαιρική πίεση, η οποία αντανακλά άμεσα τον αριθμό των μορίων του αέρα σε έναν συγκεκριμένο όγκο, δηλαδή το βάρος του.
Για να κατανοήσουμε πώς ο συνδυασμός αυτών των παραγόντων επηρεάζει το βάρος του αέρα, ας πάρουμε ένα απλό παράδειγμα: η μάζα ενός μέτρου ξηρού κυβικού αέρα σε θερμοκρασία 25 ° C, που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια της γης,είναι 1,205 kg, αλλά αν λάβουμε υπόψη έναν παρόμοιο όγκο αέρα κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας σε θερμοκρασία 0 ° C, τότε η μάζα του θα είναι ήδη ίση με 1,293 kg, δηλαδή θα αυξηθεί κατά 7,3%.
Αλλαγή στην πυκνότητα του αέρα με ύψος
Καθώς αυξάνεται το ύψος, η πίεση του αέρα μειώνεται, αντίστοιχα, η πυκνότητα και το βάρος του μειώνονται. Ο ατμοσφαιρικός αέρας σε πιέσεις που παρατηρούνται στη Γη μπορεί να θεωρηθεί ως ιδανικό αέριο ως πρώτη προσέγγιση. Αυτό σημαίνει ότι η πίεση και η πυκνότητα του αέρα σχετίζονται μαθηματικά μεταξύ τους μέσω της εξίσωσης κατάστασης ενός ιδανικού αερίου: P=ρRT/M, όπου P είναι πίεση, ρ είναι η πυκνότητα, T είναι η θερμοκρασία σε Kelvins, M είναι η μοριακή μάζα του αέρα, R είναι η καθολική σταθερά αερίου.
Από τον παραπάνω τύπο, μπορείτε να πάρετε τον τύπο για την εξάρτηση της πυκνότητας του αέρα από το ύψος, δεδομένου ότι η πίεση αλλάζει σύμφωνα με το νόμο P=P0+ρ gh, όπου P 0 - πίεση στην επιφάνεια της γης, g - επιτάχυνση ελεύθερης πτώσης, h - ύψος. Αντικαθιστώντας αυτόν τον τύπο για την πίεση στην προηγούμενη έκφραση και εκφράζοντας την πυκνότητα, παίρνουμε: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) Μ η). Χρησιμοποιώντας αυτήν την έκφραση, μπορείτε να προσδιορίσετε την πυκνότητα του αέρα σε οποιοδήποτε ύψος. Αντίστοιχα, το βάρος του αέρα (πιο σωστά, μάζα) προσδιορίζεται από τον τύπο m(h)=ρ(h)V, όπου V είναι ο δεδομένος όγκος.
Στην έκφραση για την εξάρτηση της πυκνότητας από το ύψος, μπορεί κανείς να παρατηρήσει ότι η θερμοκρασία και η επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης εξαρτώνται επίσης από το ύψος. Η τελευταία εξάρτηση μπορεί να παραμεληθεί εάν μιλάμε για ύψη που δεν υπερβαίνουν τα 1–2 km. Όσον αφορά τη θερμοκρασία, αυτόΗ εξάρτηση από το υψόμετρο περιγράφεται καλά από την ακόλουθη εμπειρική έκφραση: T(h)=T0-0, 65h, όπου T0 είναι το θερμοκρασία αέρα κοντά στην επιφάνεια του εδάφους.
Για να μην υπολογίζεται συνεχώς η πυκνότητα για κάθε ύψος, παρακάτω είναι ένας πίνακας της εξάρτησης των κύριων χαρακτηριστικών του αέρα από το ύψος (έως 10 km).
Ποιος αέρας είναι ο πιο βαρύς
Έχοντας εξετάσει τους κύριους παράγοντες που καθορίζουν την απάντηση στο ερώτημα πόσο ζυγίζει ο αέρας, μπορείτε να καταλάβετε ποιος αέρας θα είναι ο βαρύτερος. Εν ολίγοις, ο κρύος αέρας ζυγίζει πάντα περισσότερο από τον θερμό αέρα, αφού η πυκνότητα του τελευταίου είναι μικρότερη και ο ξηρός αέρας ζυγίζει περισσότερο από τον υγρό αέρα. Η τελευταία δήλωση είναι εύκολα κατανοητή, αφού η μοριακή μάζα του αέρα είναι 29 g/mol και η μοριακή μάζα ενός μορίου νερού είναι 18 g/mol, δηλαδή 1,6 φορές μικρότερη.
Προσδιορισμός του βάρους του αέρα υπό δεδομένες συνθήκες
Τώρα ας λύσουμε ένα συγκεκριμένο πρόβλημα. Ας απαντήσουμε στο ερώτημα πόσος αέρας ζυγίζει, καταλαμβάνοντας όγκο 150 λίτρων, σε θερμοκρασία 288 Κ. Σκεφτείτε ότι 1 λίτρο είναι ένα χιλιοστό του κυβικού μέτρου, δηλαδή 1 λίτρο=0,001 m3. Όσο για τη θερμοκρασία των 288 Κ, αυτή αντιστοιχεί σε 15°C, είναι δηλαδή χαρακτηριστική για πολλές περιοχές του πλανήτη μας. Το επόμενο βήμα είναι ο προσδιορισμός της πυκνότητας του αέρα. Υπάρχουν δύο τρόποι για να το κάνετε αυτό:
- Υπολογίστε χρησιμοποιώντας τον παραπάνω τύπο για ύψος 0 μέτρων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Σε αυτήν την περίπτωση, λαμβάνεται η τιμή ρ=1,227 kg/m3
- Κοιτάξτε τον παραπάνω πίνακα, ο οποίος βασίζεται στο T0=288,15 K. Ο πίνακας περιέχει την τιμή ρ=1,225 kg/m 3.
Έτσι, πήραμε δύο αριθμούς που συμφωνούν καλά μεταξύ τους. Μια μικρή διαφορά οφείλεται σε σφάλμα 0,15 K στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας, καθώς και στο γεγονός ότι ο αέρας εξακολουθεί να μην είναι ιδανικό, αλλά πραγματικό αέριο. Επομένως, για περαιτέρω υπολογισμούς, λαμβάνουμε τον μέσο όρο των δύο τιμών που λαμβάνονται, δηλαδή ρ=1, 226 kg/m3.
Τώρα, χρησιμοποιώντας τον τύπο για τη σχέση μεταξύ μάζας, πυκνότητας και όγκου, παίρνουμε: m=ρV=1,226 kg/m30,150 m3=0,1839 kg ή 183,9 γραμμάρια.
Μπορείτε επίσης να απαντήσετε πόσο ζυγίζει ένα λίτρο αέρα υπό δεδομένες συνθήκες: m=1,226 kg/m30,001 m3=0,001226 kg ή περίπου 1,2 γραμμάρια.
Γιατί δεν νιώθουμε τον αέρα να μας πιέζει
Πόσο ζυγίζει 1 m3 αέρα; Λίγο πάνω από 1 κιλό. Όλο το ατμοσφαιρικό τραπέζι του πλανήτη μας πιέζει έναν άνθρωπο με το βάρος του στα 200 κιλά! Αυτή είναι μια αρκετά μεγάλη μάζα αέρα που θα μπορούσε να προκαλέσει πολλά προβλήματα σε ένα άτομο. Γιατί δεν το νιώθουμε; Αυτό οφείλεται σε δύο λόγους: πρώτον, υπάρχει επίσης εσωτερική πίεση μέσα στο ίδιο το άτομο, η οποία εξουδετερώνει την εξωτερική ατμοσφαιρική πίεση, και δεύτερον, ο αέρας, ως αέριο, ασκεί πίεση προς όλες τις κατευθύνσεις εξίσου, δηλαδή, οι πιέσεις προς όλες τις κατευθύνσεις εξισορροπούν το καθένα. άλλο.
