Плотность воздуха - это физическая величина, характеризующая удельную массу воздуха при естественных условиях или массу газа атмосферы Земли на единицу объема. Величина плотности воздуха представляет собой функцию от высоты производимых измерений, от его влажности и температуры.
За стандарт плотности воздуха принята величина, равная 1,29 кг/м3, которая вычисляется как отношение его молярной массы (29 г/моль) к молярному объему, одинаковому для всех газов (22,413996 дм3), соответствующая плотности сухого воздуха при 0°С (273,15°К) и давлении 760 мм ртутного столба (101325 Па) на уровне моря (то есть при нормальных условиях).
Не так давно сведения о плотности воздуха получали косвенно за счет наблюдений за полярными сияниями, распространением радиоволн, метеорами. С момента появления искусственных спутников Земли плотность воздуха начали вычислять благодаря данным, полученным от их торможения.
Еще один метод заключается в наблюдениях за расплыванием искусственных облаков из паров натрия, создаваемых метеорологическими ракетами. В Европе плотность воздуха у поверхности Земли составляет 1,258 кг/м3, на высоте пяти км - 0,735, на высоте двадцати км - 0,087, на высоте сорока км - 0,004 кг/м3.
Различают два вида плотности воздуха: массовая и весовая (удельный вес).
Весовая плотность определяет вес 1 м3 воздуха и вычисляется по формуле γ = G/V, где γ – весовая плотность, кгс/м3; G — вес воздуха, измеряемый в кгс; V – объем воздуха, измеряемый в м3. Установлено, что 1 м3 воздуха при стандартных условиях (барометрическое давление 760 мм ртутного столба, t=15°С) весит 1,225 кгс , исходя из этого, весовая плотность (удельный вес) 1 м3 воздуха равна γ =1,225 кгс/м3.
Следует принять во внимание, что вес воздуха – это величина изменчивая и меняется в зависимости от различных условий, таких как географическая широта и сила инерции, которая возникает при вращении Земли вокруг своей оси. На полюсах вес воздуха на 5% больше, чем в зоне экватора.
Массовая плотность воздуха – это масса 1 м3 воздуха, обозначаемая греческой буквой ρ. Как известно, масса тела – величина постоянная. За единицу массы принято считать массу гири из иридистой платины, которая находится в Международной палате мер и весов в Париже.
Массовая плотность воздуха ρ вычисляется по следующей формуле: ρ = m / v. Здесь m – масса воздуха, измеряемая в кг×с2/м; ρ – его массовая плотность, измеряемая в кгс×с2/м4.
Массовая и весовая плотности воздуха находятся в зависимости: ρ = γ / g, где g – коэффициент ускорения свободного падения, равный 9,8 м/с². Откуда следует, что массовая плотность воздуха при стандартных условиях равна 0,1250 кг×с2/м4.
При изменении барометрического давления и температуры плотность воздуха изменяется. Исходя из закона Бойля-Мариотта, чем больше давление, тем больше будет плотность воздуха. Однако с уменьшением давления с высотой, уменьшается и плотности воздуха, что привносит свои коррективы, в результате чего закон изменения давления по вертикали становится сложнее.
Уравнение, которое выражает данный закон изменения давления с высотой в атмосфере, находящейся в покое, называется основным уравнением статики .
Оно гласит, что с увеличением высоты давление изменяется в меньшую сторону и при подъеме на одну и ту же высоту уменьшение давления тем больше, чем больше сила тяжести и плотность воздуха.
Важная роль в этом уравнении принадлежит изменениям плотности воздуха. В итоге можно сказать, что чем выше подниматься, тем меньше будет падать давление при подъеме на одинаковую высоту. Плотность воздуха от температуры зависит следующим образом: в теплом воздухе давление уменьшается менее интенсивно, чем в холодном, следовательно, на одинаково равной высоте в теплой воздушной массе давление более высокое, чем в холодной.
При изменяющихся значениях температуры и давления массовая плотность воздуха вычисляется по формуле: ρ = 0,0473хВ / Т. Здесь В – это барометрическое давление, измеряемое в мм ртутного столба, Т — температура воздуха, измеряемая в Кельвинах.
Как выбирают , по каким характеристикам, параметрам?
Что такое промышленный осушитель сжатого воздуха? Читайте про это , наиболее интересная и актуальная информация.
Какие сейчас цены на озонотерапию? Вы узнаете об этом в данной статье:
. Отзывы, показания и противопоказания при озонотерапии.
Также плотность определяется и влажностью воздуха. Наличие водяных поров приводит к уменьшению плотности воздуха, что объясняется низкой молярной массой воды (18 г/моль) на фоне молярной массы сухого воздуха (29 г/моль). Влажный воздух можно рассмотреть как смесь идеальных газов, в каждом из которых комбинация плотностей позволяет получить требуемое значение плотности для их смеси.
Такая, своего рода, интерпретация позволяет определять значения плотности с уровнем погрешности менее 0,2% в диапазоне температур от −10 °C до 50 °C. Плотность воздуха позволяет получить величину его влагосодержания, которая вычисляется путем деления плотности водяного пара (в граммах), который содержится в воздухе, на показатель плотности сухого воздуха в килограммах .
Основное уравнение статики не позволяет решать постоянно возникающие практические задачи в реальных условиях изменяющейся атмосферы. Поэтому его решают при различных упрощенных предположениях, которые соответствуют фактическим реальным условиям, за счет выдвижения ряда частных предположений.
Основное уравнение статики дает возможность получить значение вертикального градиента давления, который выражает изменение давления при подъеме или спуске на единицу высоты, т. е. изменение давления на единицу расстояния по вертикали.
Вместо вертикального градиента нередко используют обратную ему величину - барическую ступень в метрах на миллибар (иногда еще встречается устаревший вариант термина «градиент давления» - барометрический градиент).
Низкая плотность воздуха определяет незначительное сопротивление передвижению. Многими наземными животными, в ходе эволюции, использовались экологические выгоды этого свойства воздушной среды, за счет чего они приобрели способность к полету. 75% всех видов наземных животных способны к активному полету. По большей части это насекомые и птицы, но встречаются млекопитающие и рептилии.
Видео на тему «Определение плотности воздуха»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Атмосферный воздух представляет собой смесь многих газов. Воздух имеет сложный состав. Его основные составные части можно подразделить на три группы: постоянные, переменные и случайные. К первым относится кислород (содержание кислорода в воздухе составляет около 21% по объему), азот (около 86%) и так называемые инертные газы (около 1%).
Содержание составных частей практически не зависит от того, в каком месте земного шара взята проба сухого воздуха. Ко второй группе относятся углекислый газ (0,02 - 0,04%) и водяной пар (до 3%). Содержание случайных составных частей зависит от местных условий: вблизи металлургических заводов к воздуху часто бывают примешаны заметные количества сернистого газа, в местах, где происходит распад органических остатков, - аммиака и т.д. Помимо различных газов, воздух всегда содержит большее или меньшее количество пыли.
Плотность воздуха представляет собой величину, равную массе газа атмосферы Земли, деленную на единицу объема. Она зависит от давления, температуры и влажности. Существует стандартная величина плотности воздуха - 1,225 кг/м 3 , соответствующая плотности сухого воздуха при температуре 15 o С и давлении 101330 Па.
Зная из опыта массу литра воздуха при нормальных условиях (1,293 г), можно вычислить тот молекулярный вес, который имел бы воздух, если бы он был индивидуальным газом. Так как грамм-молекула всякого газа занимает при нормальных условиях объем 22,4 л, средний молекулярный вес воздуха равен
22,4 × 1,293 = 29.
Это число - 29 - следует запомнить: зная его, легко рассчитать плотность любого газа по отношению к воздуху.
Плотность жидкого воздуха
При достаточном охлаждении воздух переходит в жидкое состояние. Жидкий воздух можно довольно долго сохранять в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопередачи выкачан воздух. Подобные сосуды используются, например, в термосах.
Свободно испаряющийся при обычных условиях жидкий воздух имеет температуру около (-190 o С). Состав его непостоянен, так как азот улетучивается легче кислорода. По мере удаления азота цвет жидкого воздуха изменяется от голубоватого до бледно-синего (цвет жидкого кислорода).
В жидком воздухе легко переходят в твердое состояние этиловый спирт, диэтиловый эфир и многие газы. Если, например, пропускать через жидкий воздух диоксид углерода, то он превращается в белые хлопья, похожие по внешнему виду на снег. Ртуть, погруженная в жидкий воздух, становится твердой и ковкой.
Многие вещества, охлажденные жидким воздухом, резко изменяют свои свойства. Так, чинк и олово становятся настолько хрупкими, что легко превращаются в порошок, свинцовый колокольчик издает чистый звенящий звук, а замороженный резиновый мячик разбивается вдребезги, если уронить его на пол.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Определите во сколько раз тяжелее воздуха сероводород H 2 S. |
| Решение | Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.
Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух - это смесь газов. D air (H 2 S) = M r (H 2 S) / M r (air); D air (H 2 S) = 34 / 29 = 1,17. M r (H 2 S) = 2 ×A r (H) + A r (S) = 2 × 1 + 32 = 2 + 32 = 34. |
| Ответ | Сероводород H 2 S тяжелее воздуха в 1,17 раз. |
Многих может удивить тот факт, что воздух имеет определенный ненулевой вес. Точное значение этого веса определить не так просто, поскольку на него сильно влияют такие факторы, как химический состав, влажность, температура и давление. Рассмотрим подробнее вопрос о том, сколько весит воздух.
Что такое воздух
Прежде чем отвечать на вопрос о том, сколько весит воздух, необходимо разобраться с тем, что представляет собой эта субстанция. Воздух - это газовая оболочка, которая существует вокруг нашей планеты, и которая представляет гомогенную смесь различных газов. В состав воздуха входят следующие газы:
- азот (78,08%);
- кислород (20,94%);
- аргон (0,93%);
- водяной пар (0,40%);
- углекислый газ (0,035%).
Помимо перечисленных выше газов, в воздухе также присутствуют в минимальных количествах неон (0,0018%), гелий (0,0005%), метан (0,00017%), криптон (0,00014%), водород (0,00005%), аммиак (0,0003%).
Интересно отметить, что разделить эти компоненты можно, если конденсировать воздух, то есть превратить его в жидкое состояние путем увеличения давления и уменьшения температуры. Поскольку каждый компонент воздуха обладает своей температурой конденсации, то таким способом удается выделить все компоненты из воздуха, что используется на практике.
Вес воздуха и факторы, которые на него влияют
Что мешает ответить точно на вопрос, сколько весит кубометр воздуха? Конечно же, ряд факторов, которые могут сильно влиять на этот вес.
Во-первых, это химический состав. Выше приведены данные для состава чистого воздуха, однако, в настоящее время этот воздух во многих местах планеты сильно загрязнен, соответственно, его состав будет другим. Так, вблизи больших городов в воздухе содержится больше углекислого газа, аммиака, метана, чем в воздухе сельской местности.
Во-вторых, влажность, то есть количество водяного пара, которое содержится в атмосфере. Чем более влажный воздух, тем меньше он весит при прочих равных условиях.
В-третьих, температура. Это один из важных факторов, чем меньше ее значение, тем выше плотность воздуха, и, соответственно, тем больше его вес.
В четвертых, атмосферное давление, которое непосредственно отражает количество молекул воздуха в определенном объеме, то есть его вес.
Чтобы понять, как совокупность этих факторов влияет на вес воздуха, приведем простой пример: масса одного метра кубического сухого воздуха при температуре 25°C, находящегося вблизи поверхности земли, составляет 1,205 кг, если же рассматривать аналогичный объем воздуха вблизи поверхности моря при температуре 0°C, то его масса уже будет равна 1,293 кг, то есть увеличится на 7,3%.
Изменение плотности воздуха с высотой
С увеличением высоты падает давление воздуха, соответственно, уменьшается его плотность и вес. Атмосферный воздух при давлениях, которые наблюдаются на Земле, можно в первом приближении считать идеальным газом. Это означает, что давление и плотность воздуха математически связываются друг с другом через уравнение состояния идеального газа: P = ρ*R*T/M, где P - давление, ρ - плотность, T - температура в кельвинах, M - молярная масса воздуха, R - универсальная газовая постоянная.
Из приведенной выше формулы можно получить формулу зависимости плотности воздуха от высоты, если учесть, что давление изменяется по закону P = P 0 +ρ*g*h, где P 0 - давление у поверхности земли, g - ускорение свободного падения, h - высота. Подставляя эту формулу для давления в предыдущее выражение, и выражая плотность, получаем: ρ(h) = P 0 *M/(R*T(h)+g(h)*M*h). С помощью этого выражения можно определить плотность воздуха на любой высоте. Соответственно вес воздуха (правильнее говорить масса) определяется по формуле m(h) = ρ(h)*V, где V - заданный объем.
В выражении зависимости плотности от высоты можно заметить, что от высоты также зависят температура и ускорение свободного падения. Последней зависимостью можно пренебречь, если речь идет о высотах не более 1-2 км. Что касается температуры, то ее зависимость от высоты хорошо описывается следующим эмпирическим выражением: T(h) = T 0 -0,65*h, где T 0 - температура воздуха вблизи поверхности земли.
Чтобы не вычислять постоянно плотность для каждой высоты, ниже приведем таблицу зависимости главных характеристик воздуха от высоты (до 10 км).
Какой воздух является самым тяжелым
Рассмотрев основные факторы, которые определяют ответ на вопрос о том, сколько весит воздух, можно понять, какой воздух будет самым тяжелым. Говоря кратко, холодный воздух весит всегда больше, чем теплый, поскольку плотность последнего ниже, и сухой воздух весит больше, чем влажный. Последнее утверждение легко понять, поскольку составляет 29 г/моль, а молярная масса молекулы воды равна 18 г/моль, то есть меньше в 1,6 раза.
Определение веса воздуха при заданных условиях
Теперь решим конкретную задачу. Ответим на вопрос о том, сколько весит воздух, занимающий объем 150 л, при температуре 288 К. Учтем, что 1 литр составляет тысячную часть от кубического метра, то есть 1 л = 0,001 м 3 . Что касается температуры 288 К, то она соответствует 15°C, то есть является типичной для многих районов нашей планеты. Далее нужно определить плотность воздуха. Сделать это можно двумя способами:
- Рассчитать по приведенной выше формуле для высоты 0 метров над уровнем моря. В этом случае получается значение ρ = 1,227 кг/м 3
- Посмотреть в приведенную выше таблицу, которая построена, исходя из T 0 = 288,15 К. В таблице стоит значение ρ = 1,225 кг/м 3 .
Таким образом, получилось два числа, которые хорошо согласуются друг с другом. Небольшое различие связано с погрешностью 0,15 К при определении температуры, а также с тем, что воздух является все же не идеальным, а реальным газом. Поэтому для дальнейших расчетов возьмем среднее из двух полученных значений, то есть ρ = 1,226 кг/м 3 .
Теперь, пользуясь формулой связи массы, плотности и объема, получаем: m = ρ*V = 1,226 кг/м 3 * 0,150 м 3 = 0,1839 кг или 183,9 грамма.
Также можно ответить, сколько весит литр воздуха при заданных условиях: m = 1,226 кг/м 3 * 0,001 м 3 = 0,001226 кг или приблизительно 1,2 грамма.
Почему мы не чувствуем, что воздух давит на нас
Сколько весит 1 м3 воздуха? Чуть больше 1 килограмма. Весь же атмосферный стол нашей планеты давит на человека своим весом в 200 кг! Это достаточно большая масса воздуха, которая могла бы доставить много неприятностей человеку. Почему же мы ее не чувствуем? Это объясняется двумя причинами: во-первых, внутри самого человека имеется также внутреннее давление, которое оказывает противодействие внешнему атмосферному давлению, во-вторых, воздух, будучи газом, оказывает давление во всех направлениях одинаково, то есть давления во всех направлениях уравновешивают друг друга.
Физика на каждом шагу Перельман Яков Исидорович
Сколько весит воздух в комнате?
Можете ли вы хоть приблизительно сказать, какой груз представляет воздух, вмещаемый вашей комнатой? Несколько граммов или несколько килограммов? В силах ли вы поднять такой груз одним пальцем или же едва удержали бы его на плечах?
Теперь, пожалуй, не найдется уже людей, которые думают, как полагали древние, что воздух вовсе ничего не весит. Но сказать, сколько весит определенный объем воздуха, многие и сейчас не смогут.
Запомните же, что литровая кружка воздуха той плотности, какую он имеет близ земной поверхности при обычной комнатной температуре, весит около 1.2 г. Так как в кубическом метре содержится 1 тыс. л, то кубометр воздуха весит в тысячу раз больше, чем 1.2 г, а именно 1,2 кг. Теперь нетрудно уже ответить на поставленный раньше вопрос. Для этого нужно лишь узнать, сколько кубических метров в вашей комнате, и тогда определится вес содержащегося в ней воздуха.
Пусть комната имеет площадь в 10 м 2 , а высоту – 4 м. В такой комнате 40 кубометров воздуха, который весит, значит, сорок раз по 1,2 кг. Это составит 48 кг.
Итак, даже в столь небольшой комнате воздух весит немногим меньше, чем вы сами. Унести на плечах подобный груз вам удалось бы не без труда. А воздух вдвое более просторной комнаты, нагруженный на вашу спину, мог бы вас раздавить.
Данный текст является ознакомительным фрагментом. Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович Из книги История свечи автора Фарадей Майкл Из книги Пять нерешенных проблем науки автора Уиггинс Артур Из книги Физика на каждом шагу автора Перельман Яков Исидорович Из книги Движение. Теплота автора Китайгородский Александр Исаакович Из книги НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТЬИ. автора Тесла Никола Из книги Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей автора Дмитриев Александр Станиславович Из книги Мария Кюри. Радиоактивность и элементы [Самый сокровенный секрет материи] автора Паес Адела Муньос Из книги автораЛЕКЦИЯ II СВЕЧА. ЯРКОСТЬ ПЛАМЕНИ. ДЛЯ ГОРЕНИЯ НЕОБХОДИМ ВОЗДУХ. ОБРАЗОВАНИЕ ВОДЫ На прошлой лекции мы рассмотрели общие свойства и расположение жидкой части свечи, а также и то, каким образом эта жидкость попадает туда, где происходит горение. Вы убедились, что когда свеча
Из книги автораВоздух местного производства Поскольку внутренние планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс - расположены близко к Солнцу (рис. 5.2), вполне разумно предположить, что и состоят они из одного сырья. Так и есть. Рис. 5.2. Орбиты планет Солнечной системыИзображения в масштабе
Из книги автораСколько воздуха вы вдыхаете? Интересно подсчитать также, сколько весит тот воздух, который мы вдыхаем и выдыхаем в течение одних суток. При каждом вдохе человек вводит в свои легкие около полулитра воздуха. Делаем же мы в минуту, средним числом, 18 вдыханий. Значит, за одну
Из книги автораСколько весит весь воздух на Земле? Опыты, сейчас описанные, показывают, что столб воды в 10 м высоты весит столько же, сколько столб воздуха от Земли до верхней границы атмосферы, – оттого они и уравновешивают друг друга. Нетрудно вычислить поэтому, сколько весит
Из книги автораЖелезный пар и твердый воздух Не правда ли – странное сочетание слов? Однако это вовсе не чепуха: и железный пар, и твердый воздух существуют в природе, но только не при обычных условиях.О каких же условиях идет речь? Состояние вещества определяется двумя
Из книги автораПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ ПОЛУЧИТЬ САМО-ДЕИСТВУЮЩИИ ДВИГАТЕЛЬ - МЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР - РАБОТА ДЮАРА И ЛИНДЕ - ЖИДКИЙ ВОЗДУХ Осознав эту истину, я начал изыскивать пути выполнения моей идеи, и после длительных размышлений, я наконец придумал аппарат, который смог бы получать
Из книги автора51 Прирученная молния прямо в комнате – и безопасно! Для опыта нам потребуются: два воздушных шарика. Все видели молнию.Страшный электрический разряд бьет прямо из тучи, сжигая все, во что попадает. Зрелище это и страшно, и притягивает. Молния опасна, она убивает все живое.
Из книги автораСКОЛЬКО? Еще до начала изучения урановых лучей Мария уже решила, что оттиски на фотографических пленках были неточным методом анализа, а она хотела измерить интенсивность лучей и сравнить количество излучения, испускаемого различными веществами. Она знала: Беккерель
Плотность и удельный объем влажного воздуха являются величинами переменными, зависящими от температуры и воздушной среды. Эти величины нужно знать при подборе вентиляторов для , при решении задач, связанных с перемещением сушильного агента по воздуховодам, при определении мощности электродвигателей вентиляторов.Это масса (вес) 1 куб.м смеси воздуха и водяного пара при определенной температуре и относительной влажности. Удельный объем представляет собой объем воздуха и водяного пара, приходящийся на 1 кг сухого воздуха.
Влаго- и теплосодержание
Масса в граммах, приходящаяся на единицу массы (1 кг) сухого воздуха, в общем их объеме называется влагосодержанием воздуха . Оно получается путем деления величины плотности водяного пара, содержащегося в воздухе, выраженной в граммах, на величину плотности сухого воздуха в килограммах.Чтобы определить расход тепла на влаги, нужно знать величину теплосодержания влажного воздуха . Под этой величиной понимается , содержащегося в смеси воздуха и водяного пара. Оно численно равно сумме:
