Физические свойства воздуха: плотность, вязкость, удельная теплоемкость. Что такое плотность воздуха и чему она равна при нормальных условиях? 1 куб воздуха весит
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:
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.
Хотя мы и не чувствуем воздух вокруг себя, воздух - это не ничто. Воздух - это смесь газов: азота, кислорода и других. А газы, как и другие вещества, состоят из молекул, и поэтому имеют вес, хотя и небольшой.
С помощью опыта можно доказать, что воздух имеет вес. На середине палки длиной сантиметров в шестьдесят укрепим веревочку, а к обоим ее концам привяжем два одинаковых воздушных шарика. Подвесим палку за веревочку и увидим, что она висит горизонтально. Если теперь проткнуть иголкой один из надутых шариков, из него выйдет воздух, и тот конец палки, к которому он был привязан, поднимется вверх. Если проколоть и второй шарик, то палка снова займет горизонтальное положение.
Это происходит потому что воздух в надутом шарике плотнее , а значит, и тяжелее , чем тот, что находится вокруг него.
Сколько весит воздух, зависит от того, когда и где его взвешивают. Вес воздуха над горизонтальной плоскостью - это атмосферное давление. Как и все предметы, окружающие нас, воздух тоже подвержен земному притяжению. Оно-то и наделяет воздух весом, который равен 1 кг на квадратный сантиметр. Плотность воздуха равна около 1,2 кг/м 3 , то есть куб со стороной 1 м, наполненный воздухом, весит 1,2 кг.
Воздушный столб, вертикально поднимающийся над Землей, тянется на несколько сотен километров. Значит, на стоящего прямо человека, на его голову и плечи, площадь которых составляет примерно 250 см 2 , давит столб воздуха весом около 250 кг!
Мы не смогли бы выдерживать такую тяжесть, если бы ей не противостояло такое же давление внутри нашего тела. Следующий опыт поможет нам понять это. Если растянуть двумя руками бумажный лист и кто-то с одной стороны надавит на него пальцем, то результат будет один - дырка в бумаге. Но если надавить двумя указательными пальцами на одно и то же место, но с разных сторон, ничего не случится. Давление с обеих сторон будет одинаковым. То же самое происходит и с давлением воздушного столба и встречным давлением внутри нашего тела: они равны.
Воздух обладает весом и со всех сторон давит на наше тело.
Но он не может раздавить нас, ибо встречное давление тела равно внешнему.
Изображенный выше простой опыт делает это очевидным:
если с одной стороны надавить пальцем на лист бумаги, он порвется;
но если надавить на него с обеих сторон, этого не произойдет.
Кстати...
В повседневности, когда мы что-то взвешиваем, мы делаем это в воздухе, и поэтому мы пренебрегаем его весом, так как вес воздуха в воздухе равен нулю. Например, если мы взвесим пустую стеклянную колбу, мы будем считать полученный результат весом колбы, пренебрегая тем, что она наполнена воздухом. А вот если колбу закрыть герметично и откачать из нее весь воздух, мы получим совсем другой результат...
03.05.2017 14:04
1392
Сколько весит воздух.
Несмотря на то, что мы не можем увидеть некоторые вещи существующие в природе, это вовсе не значит, что их нет. Точно также и с воздухом - он невидим, но мы им дышим, ощущаем его, значит он есть.
У всего существующего есть свой вес. А есть ли он у воздуха? И если да, то сколько весит воздух? Давайте это выясним.
Когда мы что-то взвешиваем (например яблоко, держа его за веточку), мы делаем это в воздухе. Поэтому мы не учитываем самого воздуха, поскольку вес воздуха в воздухе равен нулю.
К примеру, если мы возьмем пустую стеклянную бутылку и взвесим ее, полученный результат мы будем считать весом колбы, не задумываясь о том, что она наполнена воздухом. Однако, если мы плотно закроем бутылку и откачаем из нее весь воздух, то получим уже совсем иной результат. Вот так-то.
Воздух состоит из соединения нескольких газов: кислорода, азота и других. Газы очень легкие вещества, но все же они имеют вес, хотя и не большой.
Для того, чтобы убедиться, что воздух имеет вес, попросите взрослых помочь вам провести следующий несложный опыт: Возьмем палку примерно 60 см. длиной и на ее середине привяжем веревочку.
Далее, к обоим концам нашей палки прикрепим 2 надутых одинаковых по размеру воздушных шарика. А теперь подвесим нашу конструкцию за веревочку,привязаннуюк ее середине. В результате, мы увидим, что она висит горизонтально.
Если мы сейчас возьмем иголку и проткнем ею один из надутых шариков, из него выйдет воздух, и тот конец палки, к которому он был привязан, поднимется вверх. А если мы проколем и второй шарик, то концы палки сравняются и она снова будет висеть горизонтально.
Что это значит? А то, что воздух в надутом шарике плотнее (то есть тяжелее), чем тот, который находится вокруг него. По этому когда шарик сдулся, он стал легче.
Вес воздуха, зависит от разных факторов. Так например, воздух над горизонтальной плоскостью - это атмосферное давление.
Воздух, как впрочем и все предметы, которые нас окружают, подвержен земному притяжению. Именно оно придает воздуху вес, который равен 1 килограмму на квадратный сантиметр. При этом плотность воздуха равна около 1,2 кг/м3, то есть куб со стороной 1 м, наполненный воздухом, весит 1,2 кг.
Воздушный столб, вертикально поднимающийся над Землей, тянется на несколько сотен километров. Это значит, что на прямо стоящего человека, на его голову и плечи (площадь которых составляет примерно 250 квадратных сантиметров, давит столб воздуха весом около 250 кг!
Если бы такой огромной тяжести не противостояло такое же давление внутри нашего тела, мы бы просто не смогли ее выдерживать и она раздавила бы нас. Существует еще один интересный опыт, который поможет понять все что мы сказали выше:
Берем лист бымаги и растягиваем его двумя руками. Затем попросим кого нибудь (например младшую сестренку) с одной стороны надавить на него пальцем. Что получилось? Конечно же на бумаге образовалась дырка.
А теперь проделаем то же самое еще раз, только теперь нужно будет надавить на одно и то же место двумя указательными пальцами, но с разных сторон. Вуаля! Бумага осталась целой! Хотите знать почему?
Просто давление нам лист бумаги с обеих сторон было одинаковым. То же самое происходит и с давлением воздушного столба и встречным давлением внутри нашего тела: они равны.
Таким образом,мы выяснили, что: воздух имеет вес и со всех сторон давит им на наше тело. Однако, он не может раздавить нас, поскольку встречное давление нашего тела равно внешнему,то есть атмосферному.
Проделанный нами последний опыт показал это наглядно: если надавить на лист бумаги с одной стороны, он порвется. Но если сделать это с обеих сторон, этого не произойдет.
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»
