Wiele osób może być zaskoczonych faktem, że powietrze ma pewną niezerową wagę. Dokładna wartość tej wagi nie jest tak łatwa do ustalenia, ponieważ silnie wpływają na nią takie czynniki, jak skład chemiczny, wilgotność, temperatura i ciśnienie. Przyjrzyjmy się bliżej kwestii wagi powietrza.
Co to jest powietrze
Przed udzieleniem odpowiedzi na pytanie, ile waży powietrze, konieczne jest zrozumienie, czym jest ta substancja. Powietrze to gazowa powłoka istniejąca wokół naszej planety, będąca jednorodną mieszaniną różnych gazów. Powietrze zawiera następujące gazy:
- azot (78,08%);
- tlen (20,94%);
- argon (0,93%);
- para wodna (0,40%);
- dwutlenek węgla (0,035%).
Oprócz gazów wymienionych powyżej, powietrze zawiera również minimalne ilości neonu (0,0018%), helu (0,0005%), metanu (0,00017%), kryptonu (0,00014%), wodoru (0,00005%), amoniak (0,0003%).
To ciekawe, żeMożesz oddzielić te składniki, jeśli skondensujesz powietrze, to znaczy zamienisz je w stan ciekły poprzez zwiększenie ciśnienia i zmniejszenie temperatury. Ponieważ każdy składnik powietrza ma własną temperaturę skraplania, w ten sposób można odizolować wszystkie składniki od powietrza, co jest stosowane w praktyce.
Waga powietrza i czynniki, które na nią wpływają
Co sprawia, że nie możesz dokładnie odpowiedzieć na pytanie, ile waży metr sześcienny powietrza? Oczywiście szereg czynników, które mogą mieć duży wpływ na tę wagę.
Po pierwsze, to skład chemiczny. Powyżej znajdują się dane dotyczące składu czystego powietrza, jednak w chwili obecnej powietrze to jest mocno zanieczyszczone w wielu miejscach na planecie odpowiednio, jego skład będzie inny. Tak więc w pobliżu dużych miast powietrze zawiera więcej dwutlenku węgla, amoniaku, metanu niż powietrze na obszarach wiejskich.
Po drugie, wilgotność, czyli ilość pary wodnej zawartej w atmosferze. Im bardziej wilgotne powietrze, tym mniej waży, inne rzeczy są takie same.
Po trzecie, temperatura. Jest to jeden z ważnych czynników, im niższa jego wartość, tym większa gęstość powietrza, a co za tym idzie, większa jego waga.
Po czwarte, ciśnienie atmosferyczne, które bezpośrednio odzwierciedla liczbę cząsteczek powietrza w określonej objętości, czyli jego wagę.
Aby zrozumieć, jak kombinacja tych czynników wpływa na wagę powietrza, weźmy prosty przykład: masę jednego metra suchego powietrza sześciennego o temperaturze 25°C, znajdującego się w pobliżu powierzchni ziemi,wynosi 1,205 kg, ale jeśli weźmiemy pod uwagę podobną objętość powietrza w pobliżu powierzchni morza w temperaturze 0 ° C, to jego masa będzie już równa 1,293 kg, czyli wzrośnie o 7,3%.
Zmiana gęstości powietrza wraz z wysokością
Wraz ze wzrostem wysokości spada ciśnienie powietrza, odpowiednio jego gęstość i masa. Powietrze atmosferyczne pod ciśnieniem obserwowanym na Ziemi można w pierwszym przybliżeniu uznać za gaz doskonały. Oznacza to, że ciśnienie i gęstość powietrza są matematycznie powiązane poprzez równanie stanu gazu doskonałego: P=ρRT/M, gdzie P to ciśnienie, ρ to gęstość, T to temperatura w kelwinach, M to masa molowa powietrza, R to uniwersalna stała gazowa.
Z powyższego wzoru można otrzymać wzór na zależność gęstości powietrza od wysokości, biorąc pod uwagę, że ciśnienie zmienia się zgodnie z prawem P=P0+ρ gh, gdzie P 0 - ciśnienie na powierzchni ziemi, g - przyspieszenie swobodnego spadania, h - wysokość. Podstawiając ten wzór na ciśnienie do poprzedniego wyrażenia i wyrażając gęstość, otrzymujemy: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) M godz.). Używając tego wyrażenia, możesz określić gęstość powietrza na dowolnej wysokości. W związku z tym ciężar powietrza (poprawniej masa) jest określony wzorem m(h)=ρ(h)V, gdzie V jest podaną objętością.
W wyrażeniu na zależność gęstości od wysokości można zauważyć, że temperatura i przyspieszenie swobodnego spadania również zależą od wysokości. Tę ostatnią zależność można pominąć, jeśli mówimy o wysokości nie większej niż 1–2 km. Jeśli chodzi o temperaturę, toZależność wysokości jest dobrze opisana następującym wyrażeniem empirycznym: T(h)=T0-0, 65h, gdzie T0 jest temperatura powietrza w pobliżu powierzchni ziemi.
Aby nie stale obliczać gęstości dla każdej wysokości, poniżej znajduje się tabela zależności głównych charakterystyk powietrza od wysokości (do 10 km).
Które powietrze jest najcięższe
Po rozważeniu głównych czynników decydujących o odpowiedzi na pytanie, ile waży powietrze, można zrozumieć, które powietrze będzie najcięższe. Krótko mówiąc, zimne powietrze zawsze waży więcej niż ciepłe powietrze, ponieważ gęstość tego ostatniego jest mniejsza, a suche powietrze waży więcej niż wilgotne powietrze. To ostatnie stwierdzenie jest łatwe do zrozumienia, ponieważ masa molowa powietrza wynosi 29 g/mol, a masa molowa cząsteczki wody 18 g/mol, czyli 1,6 razy mniej.
Określanie ciężaru powietrza w danych warunkach
Teraz rozwiążmy konkretny problem. Odpowiedzmy na pytanie, ile waży powietrze zajmujące objętość 150 litrów w temperaturze 288 K. Załóżmy, że 1 litr to jedna tysięczna metra sześciennego, czyli 1 litr=0,001 m3. Temperatura 288 K odpowiada 15°C, czyli jest typowa dla wielu rejonów naszej planety. Następnym krokiem jest określenie gęstości powietrza. Można to zrobić na dwa sposoby:
- Oblicz używając powyższego wzoru dla wysokości 0 metrów nad poziomem morza. W tym przypadku uzyskuje się wartość ρ=1,227 kg/m3
- Spójrz na powyższą tabelę, opartą na T0=288,15 K. Tabela zawiera wartość ρ=1,225 kg/m 3.
W ten sposób otrzymaliśmy dwie liczby, które są ze sobą w dobrej zgodzie. Niewielka różnica wynika z błędu 0,15 K w określaniu temperatury, a także z faktu, że powietrze nadal nie jest idealnym, ale rzeczywistym gazem. Dlatego do dalszych obliczeń przyjmujemy średnią z dwóch otrzymanych wartości, czyli ρ=1, 226 kg/m3.
Teraz, używając wzoru na zależność między masą, gęstością i objętością, otrzymujemy: m=ρV=1,226 kg/m30,150 m3=0,1839 kg lub 183,9 gramów.
Możesz również odpowiedzieć, ile litr powietrza waży w danych warunkach: m=1,226 kg/m30,001 m3=0,001226 kg lub około 1,2 grama.
Dlaczego nie czujemy napierającego na nas powietrza
Ile waży 1 m3 powietrza? Nieco ponad 1 kilogram. Cały stół atmosferyczny naszej planety wywiera presję na osobę o wadze 200 kg! Jest to wystarczająco duża masa powietrza, która może sprawić człowiekowi wiele kłopotów. Dlaczego tego nie czujemy? Dzieje się tak z dwóch powodów: po pierwsze, w samym człowieku panuje również ciśnienie wewnętrzne, które przeciwdziała zewnętrznemu ciśnieniu atmosferycznemu, a po drugie powietrze, będąc gazem, wywiera jednakowe ciśnienie we wszystkich kierunkach, to znaczy ciśnienie we wszystkich kierunkach równoważy się. inne.
