Mnohých ľudí možno prekvapí fakt, že vzduch má určitú nenulovú hmotnosť. Presnú hodnotu tejto hmotnosti nie je také ľahké určiť, pretože ju silne ovplyvňujú faktory ako chemické zloženie, vlhkosť, teplota a tlak. Pozrime sa bližšie na otázku, koľko váži vzduch.
Čo je vzduch
Pred zodpovedaním otázky, koľko váži vzduch, je potrebné pochopiť, čo je táto látka zač. Vzduch je plynný obal, ktorý existuje okolo našej planéty a ktorý je homogénnou zmesou rôznych plynov. Vzduch obsahuje nasledujúce plyny:
- dusík (78,08 %);
- kyslík (20,94 %);
- argón (0,93 %);
- vodná para (0,40%);
- oxid uhličitý (0,035 %).
Okrem vyššie uvedených plynov obsahuje vzduch minimálne množstvo neónu (0,0018 %), hélia (0,0005 %), metánu (0,00017 %), kryptónu (0,00014 %), vodíka (0,00005 %), amoniak (0,0003 %).
Je zaujímavé poznamenaťTieto zložky môžete oddeliť, ak skondenzujete vzduch, to znamená, že ho prevediete do kvapalného stavu zvýšením tlaku a znížením teploty. Keďže každá zložka vzduchu má svoju kondenzačnú teplotu, týmto spôsobom je možné izolovať všetky zložky od vzduchu, čo sa v praxi využíva.
Hmotnosť vzduchu a faktory, ktoré ju ovplyvňujú
Čo vám bráni presne odpovedať na otázku, koľko váži kubický meter vzduchu? Samozrejme, množstvo faktorov môže výrazne ovplyvniť túto váhu.
Po prvé, je to chemické zloženie. Vyššie sú uvedené údaje o zložení čistého vzduchu, v súčasnosti je však tento vzduch na mnohých miestach planéty silne znečistený, respektíve jeho zloženie bude iné. V blízkosti veľkých miest teda vzduch obsahuje viac oxidu uhličitého, amoniaku a metánu ako vzduch vo vidieckych oblastiach.
Po druhé, vlhkosť, teda množstvo vodnej pary obsiahnutej v atmosfére. Čím je vzduch vlhkejší, tým menej váži, ostatné veci sú rovnaké.
Po tretie, teplota. Toto je jeden z dôležitých faktorov, čím nižšia je jeho hodnota, tým vyššia je hustota vzduchu, a teda aj väčšia hmotnosť.
Po štvrté, atmosférický tlak, ktorý priamo odráža počet molekúl vzduchu v určitom objeme, teda jeho hmotnosť.
Aby sme pochopili, ako kombinácia týchto faktorov ovplyvňuje hmotnosť vzduchu, zoberme si jednoduchý príklad: hmotnosť jedného metra suchého kubického vzduchu s teplotou 25 °C, ktorý sa nachádza blízko zemského povrchu,je 1,205 kg, ale ak vezmeme do úvahy podobný objem vzduchu v blízkosti morskej hladiny pri teplote 0 °C, jeho hmotnosť sa už bude rovnať 1,293 kg, to znamená, že sa zvýši o 7,3 %.
Zmena hustoty vzduchu s výškou
S rastúcou výškou klesá tlak vzduchu, respektíve jeho hustota a hmotnosť. Atmosférický vzduch pri tlakoch, ktoré sú pozorované na Zemi, možno podľa prvej aproximácie považovať za ideálny plyn. To znamená, že tlak a hustota vzduchu spolu matematicky súvisia prostredníctvom stavovej rovnice ideálneho plynu: P=ρRT/M, kde P je tlak, ρ je hustota, T je teplota v kelvinoch, M je molárna hmotnosť vzduchu, R je univerzálna plynová konštanta.
Z vyššie uvedeného vzorca môžete získať vzorec pre závislosť hustoty vzduchu od výšky za predpokladu, že tlak sa mení podľa zákona P=P0+ρ gh, kde P 0 - tlak na zemskom povrchu, g - zrýchlenie voľného pádu, h - výška. Dosadením tohto vzorca pre tlak do predchádzajúceho výrazu a vyjadrením hustoty dostaneme: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) M h). Pomocou tohto výrazu môžete určiť hustotu vzduchu v akejkoľvek výške. Podľa toho hmotnosť vzduchu (správnejšie hmotnosť) je určená vzorcom m(h)=ρ(h)V, kde V je daný objem.
Vo výraze pre závislosť hustoty od výšky si možno všimnúť, že od výšky závisí aj teplota a zrýchlenie voľného pádu. Poslednú závislosť možno zanedbať, ak hovoríme o výškach nie väčších ako 1–2 km. Čo sa týka teploty, takvýškovú závislosť dobre popisuje nasledujúci empirický výraz: T(h)=T0-0, 65h, kde T0 je teplota vzduchu pri povrchu zeme.
Aby sme neustále počítali hustotu pre každú výšku, nižšie je tabuľka závislosti hlavných charakteristík vzduchu od výšky (do 10 km).
Aký vzduch je najťažší
Po zvážení hlavných faktorov, ktoré určujú odpoveď na otázku, koľko vzduchu váži, môžete pochopiť, ktorý vzduch bude najťažší. Stručne povedané, studený vzduch vždy váži viac ako teplý vzduch, pretože jeho hustota je nižšia a suchý vzduch váži viac ako vlhký vzduch. Posledné tvrdenie je ľahko pochopiteľné, pretože molárna hmotnosť vzduchu je 29 g/mol a molárna hmotnosť molekuly vody je 18 g/mol, teda 1,6-krát menej.
Určenie hmotnosti vzduchu za daných podmienok
Teraz poďme vyriešiť konkrétny problém. Odpovedzme si na otázku, koľko váži vzduch, ktorý zaberá objem 150 litrov, pri teplote 288 K. Uvažujme, že 1 liter je tisícina kubického metra, teda 1 liter=0,001 m3. Čo sa týka teploty 288 K, zodpovedá 15°C, to znamená, že je typická pre mnohé oblasti našej planéty. Ďalším krokom je určenie hustoty vzduchu. Existujú dva spôsoby, ako to urobiť:
- Vypočítajte pomocou vyššie uvedeného vzorca pre výšku 0 metrov nad morom. V tomto prípade sa získa hodnota ρ=1,227 kg/m3
- Pozrite sa na tabuľku vyššie, ktorá je založená na T0=288,15 K. Tabuľka obsahuje hodnotu ρ=1,225 kg/m 3.
Získali sme teda dve čísla, ktoré sa navzájom dobre zhodujú. Mierny rozdiel je spôsobený chybou 0,15 K pri určovaní teploty a tiež tým, že vzduch stále nie je ideálny, ale skutočný plyn. Preto pre ďalšie výpočty berieme priemer dvoch získaných hodnôt, to znamená ρ=1, 226 kg/m3.
Teraz pomocou vzorca pre vzťah medzi hmotnosťou, hustotou a objemom dostaneme: m=ρV=1,226 kg/m30,150 m3=0,1839 kg alebo 183,9 gramov.
Môžete tiež odpovedať, koľko váži liter vzduchu za daných podmienok: m=1,226 kg/m30,001 m3=0,001226 kg alebo približne 1,2 gramu.
Prečo necítime tlak vzduchu na nás
Koľko váži 1 m3 vzduchu? Niečo málo cez 1 kilogram. Celá atmosferická tabuľka našej planéty tlačí na človeka svojou hmotnosťou 200 kg! Ide o dostatočne veľkú masu vzduchu, ktorá by mohla človeku spôsobiť nemalé problémy. Prečo to necítime? Je to spôsobené dvoma dôvodmi: po prvé, vo vnútri samotnej osoby existuje aj vnútorný tlak, ktorý pôsobí proti vonkajšiemu atmosférickému tlaku, a po druhé, vzduch, ako plyn, vyvíja tlak vo všetkých smeroch rovnako, to znamená, že tlaky vo všetkých smeroch sú v rovnováhe. iné.
