Hoci vzduch okolo seba necítime, vzduch nie je nič. Vzduch je zmes plynov: dusík, kyslík a iné. A plyny, podobne ako iné látky, pozostávajú z molekúl, a preto majú hmotnosť, hoci malú.
Experimenty môžu byť použité na preukázanie, že vzduch má váhu. Do stredu palice dlhej asi šesťdesiat centimetrov pripevníme povraz, na oba konce priviažeme dva rovnaké balóny. Zavesíme palicu za šnúrku a uvidíme, že visí vodorovne. Ak teraz prepichnete jeden z nafúknutých balónov ihlou, vzduch z neho vyjde a koniec palice, ku ktorej bol priviazaný, sa zdvihne. Ak prepichnete druhú guľu, palica opäť zaujme vodorovnú polohu.
Stáva sa to preto, že v nafúknutom balóne je vzduch. tesnejšie, a preto ťažšie než ten okolo neho.
Koľko vzduchu váži závisí od toho, kedy a kde sa váži. Hmotnosť vzduchu nad vodorovnou rovinou je atmosférický tlak. Rovnako ako všetky objekty okolo nás, aj vzduch podlieha gravitácii. Práve to dáva vzduchu hmotnosť, ktorá sa rovná 1 kg na štvorcový centimeter. Hustota vzduchu je asi 1,2 kg/m3, to znamená, že kocka so stranou 1 m naplnená vzduchom váži 1,2 kg.
Stĺpec vzduchu stúpajúci vertikálne nad Zemou sa tiahne niekoľko stoviek kilometrov. To znamená, že na vzpriamene stojaceho človeka, na jeho hlavu a ramená, tlačí stĺp vzduchu s hmotnosťou asi 250 kg, ktorého plocha je približne 250 cm 2!
Takúto váhu by sme nevydržali, keby jej neodolal rovnaký tlak vo vnútri nášho tela. Nasledujúca skúsenosť nám to pomôže pochopiť. Ak natiahnete list papiera oboma rukami a niekto naň z jednej strany stlačí prst, výsledok bude rovnaký – diera v papieri. Ale ak stlačíte dvoma ukazovákmi na tom istom mieste, ale s rôzne strany, nič sa nestane. Tlak na oboch stranách bude rovnaký. To isté sa deje s tlakom vzduchového stĺpca a protitlakom v našom tele: sú rovnaké.
V bežnom živote, keď niečo vážime, robíme to vo vzduchu, a preto jeho váhu zanedbávame, keďže hmotnosť vzduchu vo vzduchu je nulová. Ak napríklad odvážime prázdnu sklenenú banku, získaný výsledok budeme považovať za hmotnosť banky, pričom zanedbáme skutočnosť, že je naplnená vzduchom. Ak sa ale banka utesní a všetok vzduch sa z nej odčerpá, dostaneme úplne iný výsledok...
DEFINÍCIA
Atmosférický vzduch je zmesou mnohých plynov. Vzduch má zložité zloženie. Jeho hlavné zložky možno rozdeliť do troch skupín: konštantné, premenné a náhodné. Medzi prvé patria kyslík (obsah kyslíka vo vzduchu je asi 21 % objemu), dusík (asi 86 %) a takzvané inertné plyny (asi 1 %).
Obsah komponentov prakticky nezávisí od toho, kde zemegule odobrala sa vzorka suchého vzduchu. Do druhej skupiny patrí oxid uhličitý (0,02 – 0,04 %) a vodná para (do 3 %). Obsah náhodných zložiek závisí od miestnych podmienok: v blízkosti hutníckych závodov sa do ovzdušia často primiešavajú značné množstvá oxid siričitý, na miestach, kde sa rozkladajú organické zvyšky – čpavok a pod. Okrem rôznych plynov vzduch vždy obsahuje viac či menej prachu.
Hustota vzduchu je hodnota rovnajúca sa hmotnosti plynu v zemskej atmosfére vydelenej jednotkovým objemom. Závisí to od tlaku, teploty a vlhkosti. Pre hustotu vzduchu je štandardná hodnota - 1,225 kg/m 3, čo zodpovedá hustote suchého vzduchu pri teplote 15 o C a tlaku 101330 Pa.
Zo skúseností vieme o hmotnosti litra vzduchu pri normálnych podmienkach(1,293 g), môžeme vypočítať molekulovú hmotnosť, ktorú by mal vzduch, keby bol samostatným plynom. Pretože gram molekula akéhokoľvek plynu zaberá za normálnych podmienok objem 22,4 litra, priemerná molekulová hmotnosť vzduchu sa rovná
22,4 × 1,293 = 29.
Toto číslo - 29 - by sa malo pamätať: ak to vieme, je ľahké vypočítať hustotu akéhokoľvek plynu vo vzťahu k vzduchu.
Pri dostatočnom ochladení sa vzduch zmení na kvapalné skupenstvo. Kvapalný vzduch je možné skladovať pomerne dlho v nádobách s dvojitými stenami, z priestoru medzi ktorými sa vzduch odčerpáva, aby sa znížil prenos tepla. Podobné nádoby sa používajú napríklad v termoskách.
Kvapalný vzduch, ktorý sa za normálnych podmienok voľne vyparuje, má teplotu asi (-190 o C). Jeho zloženie nie je konštantné, pretože dusík sa odparuje ľahšie ako kyslík. Pri odstraňovaní dusíka sa farba kvapalného vzduchu mení z modrastej na bledomodrú (farba kvapalného kyslíka).
V kvapalnom vzduchu sa etylalkohol, dietyléter a mnohé plyny ľahko menia na pevné látky. Ak napríklad oxid uhličitý prechádza kvapalným vzduchom, mení sa na biele vločky podobného vzhľadu. vzhľad do snehu. Ortuť ponorená do tekutého vzduchu sa stáva tvrdou a tvárnou.
Mnohé látky ochladzované kvapalným vzduchom dramaticky menia svoje vlastnosti. Škrabka a cín tak skrehnú, že sa ľahko premenia na prášok, olovený zvonček vydáva jasný zvonivý zvuk a zamrznutá gumová guľa sa rozbije, ak spadne na podlahu.
PRÍKLAD 1
PRÍKLAD 2
| Cvičenie | Určte, koľkokrát je sírovodík H 2 S ťažší ako vzduch. |
| Riešenie | Pomer hmotnosti daného plynu k hmotnosti iného plynu odobratého v rovnakom objeme, pri rovnakej teplote a rovnakom tlaku sa nazýva relatívna hustota prvého plynu k druhému. Táto hodnota ukazuje, koľkokrát je prvý plyn ťažší alebo ľahší ako druhý plyn. Relatívna molekulová hmotnosť vzduchu sa považuje za 29 (berúc do úvahy obsah dusíka, kyslíka a iných plynov vo vzduchu). Treba poznamenať, že pojem „relatívna molekulová hmotnosť vzduchu“ sa používa podmienečne, pretože vzduch je zmesou plynov. D vzduch (H2S) = Mr (H2S) / Mr (vzduch); D vzduch (H2S) = 34/29 = 1,17. Mr (H2S) = 2 x Ar (H) + Ar (S) = 2 x 1 + 32 = 2 + 32 = 34. |
| Odpoveď | Sírovodík H 2 S je 1,17-krát ťažší ako vzduch. |
Mnohých možno prekvapí fakt, že vzduch má určitú nenulovú hmotnosť. Presnú hodnotu tejto hmotnosti nie je také ľahké určiť, keďže ju vo veľkej miere ovplyvňujú faktory ako napr chemické zloženie, vlhkosť, teplota a tlak. Pozrime sa bližšie na otázku, koľko váži vzduch.
Pred zodpovedaním otázky, koľko vzduchu váži, je potrebné pochopiť, čo je táto látka. Vzduch je plynný obal, ktorý existuje okolo našej planéty a ktorý je homogénnou zmesou rôznych plynov. Vzduch obsahuje nasledujúce plyny:
Okrem vyššie uvedených plynov obsahuje aj vzduch minimálne množstvá neón (0,0018 %), hélium (0,0005 %), metán (0,00017 %), kryptón (0,00014 %), vodík (0,00005 %), amoniak (0,0003 %).
Je zaujímavé poznamenať, že tieto zložky môžu byť oddelené kondenzáciou vzduchu, to znamená jeho premenou 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.
Čo vám bráni presne odpovedať na otázku, koľko váži kubický meter vzduchu? Samozrejme, existuje množstvo faktorov, ktoré môžu túto váhu do značnej miery ovplyvniť.
Po prvé, toto je chemické zloženie. Vyššie sú uvedené údaje o zložení čistý vzduch V súčasnosti je však tento vzduch na mnohých miestach planéty veľmi znečistený, a preto sa jeho zloženie bude líšiť. 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 dôležité faktory, čím nižšia je jeho hodnota, tým vyššia je hustota vzduchu a tým väčšia je jeho 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, uveďme jednoduchý príklad: hmotnosť jedného metra kubického suchého vzduchu s teplotou 25 ° C, ktorý sa nachádza blízko povrchu zeme, je 1,205 kg, ak uvažujeme podobný objem vzduchu v blízkosti povrchu mora pri teplote 0 ° C, potom sa jeho hmotnosť už bude rovnať 1,293 kg, to znamená, že sa zvýši o 7,3%.
So stúpajúcou nadmorskou výškou klesá tlak vzduchu a podľa toho klesá aj jeho hustota a hmotnosť. Atmosférický vzduch pri tlakoch pozorovaných na Zemi možno na prvý pohľad považovať za ideálny plyn. To znamená, že tlak a hustota vzduchu spolu matematicky súvisia prostredníctvom stavovej rovnice ideálneho plynu: P = ρ*R*T/M, kde P je tlak, ρ je hustota, T je teplota v kelvinoch, M je molárnej hmotnosti vzduchu, R je univerzálna plynová konštanta.
Z vyššie uvedeného vzorca môžete získať vzorec pre závislosť hustoty vzduchu od výšky, berúc do úvahy, že tlak sa mení podľa zákona P = P 0 +ρ*g*h, kde P 0 je tlak na povrchu Zeme, g je gravitačné zrýchlenie, h je výška. Dosadením tohto vzorca pre tlak do predchádzajúceho výrazu a vyjadrením hustoty dostaneme: ρ(h) = P 0 *M/(R*T(h)+g(h)*M*h). Pomocou tohto výrazu môžete určiť hustotu vzduchu v akejkoľvek nadmorskej výške. Podľa toho sa hmotnosť vzduchu (správnejšie by bolo povedať hmotnosť) určuje podľa vzorca 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 gravitačné zrýchlenie. Poslednú závislosť možno zanedbať, ak hovoríme o o výškach nie väčších ako 1-2 km. Čo sa týka teploty, jej závislosť od výšky dobre vystihuje nasledujúci empirický výraz: T(h) = T 0 -0,65*h, kde T 0 je teplota vzduchu pri zemskom povrchu.
Aby sme neustále nepočítali hustotu pre každú nadmorskú výšku, nižšie uvádzame tabuľku závislosti hlavných charakteristík vzduchu od nadmorskej výšky (do 10 km).
Zvážením 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 je 29 g/mol a molárna hmotnosť molekuly vody je 18 g/mol, teda 1,6-krát menej.
Teraz poďme vyriešiť konkrétny problém. Odpovedzme si na otázku, koľko váži vzduch, zaberajúci objem 150 litrov, pri teplote 288 K. Zoberme si, že 1 liter je tisícina kubického metra, teda 1 liter = 0,001 m 3 . Pokiaľ ide o teplotu 288 K, zodpovedá 15 ° C, to znamená, že je typická pre mnohé oblasti našej planéty. Ďalej musíte určiť hustotu vzduchu. Môžete to urobiť dvoma spôsobmi:
Máme teda dve čísla, ktoré spolu dobre súhlasia. Mierny rozdiel je spôsobený chybou 0,15 K pri určovaní teploty a tiež tým, že vzduch stále nie je ideálny plyn, ale skutočný plyn. Preto pre ďalšie výpočty vezmeme priemer z dvoch získaných hodnôt, to znamená ρ = 1,226 kg/m 3 .
Teraz pomocou vzorca pre vzťah medzi hmotnosťou, hustotou a objemom dostaneme: m = ρ*V = 1,226 kg/m3 * 0,150 m3 = 0,1839 kg alebo 183,9 gramov.
Môžete odpovedať aj na to, koľko váži liter vzduchu kedy dané podmienky: m = 1,226 kg/m3 * 0,001 m3 = 0,001226 kg alebo približne 1,2 gramu.
Koľko váži 1 m3 vzduchu? Trochu viac ako 1 kilogram. Celá atmosférická tabuľka našej planéty tlačí na človeka svojou hmotnosťou 200 kg! Ide o pomerne veľkú masu vzduchu, ktorá by mohla človeku spôsobiť veľa problémov. Prečo to necítime? Je to spôsobené dvoma dôvodmi: po prvé, existuje aj vnútorný tlak v samotnej osobe, ktorý pôsobí proti vonkajšiemu atmosférický tlak po druhé, vzduch, ako plyn, vyvíja tlak vo všetkých smeroch rovnako, to znamená, že tlaky vo všetkých smeroch sa navzájom vyrovnávajú.
Hustota A špecifický objem vlhkého vzduchu sú premenlivé veličiny v závislosti od teploty a prostredia vzduchu. Tieto hodnoty je potrebné poznať pri výbere ventilátorov, pri riešení problémov súvisiacich s pohybom sušiaceho prostriedku vzduchovými kanálmi, pri určovaní výkonu elektromotorov ventilátorov.Ide o hmotnosť (hmotnosť) 1 kubického metra zmesi vzduchu a vodnej pary pri určitej teplote a relatívnej vlhkosti. Merný objem je objem vzduchu a vodnej pary na 1 kg suchého vzduchu.
Na určenie spotreby tepla na vlhkosť potrebujete poznať hodnotu tepelný obsah vlhkého vzduchu. Táto hodnota sa chápe ako obsiahnutá v zmesi vzduchu a vodnej pary. Číselne sa rovná súčtu:
Stlačený vzduch je vzduch pod tlakom vyšším ako atmosférický tlak.
Stlačený vzduch je spolu s elektrickou energiou jedinečným nosičom energie, zemný plyn a vodou. V priemyselnom prostredí sa stlačený vzduch používa hlavne na pohon pneumaticky poháňaných zariadení a mechanizmov (pneumatický pohon).
V každodennom, každodennom živote prakticky nevnímame Vzduch okolo nás. V celej histórii ľudstva však ľudia používali jedinečné vlastnosti vzduchu. Vynález plachty a vyhne, veterného mlyna a teplovzdušný balón sa stal prvým krokom pri využívaní vzduchu ako nosiča energie.
Vynález kompresora odštartoval éru priemyselného využitia. stlačený vzduch. A otázka: „Čo je vzduch a aké má vlastnosti? - stal sa ďaleko od nečinnosti.
Pri začatí navrhovania nového pneumatického systému alebo modernizácie existujúceho systému by bolo užitočné pamätať o niektorých vlastnostiach vzduchu, termínoch a jednotkách merania.
Vzduch je zmes plynov, ktorá pozostáva hlavne z dusíka a kyslíka.
|
Zloženie vzduchu |
|||
|
prvok* |
Označenie |
Podľa objemu, % |
Podľa hmotnosti, % |
|
Kyslík |
|||
|
Oxid uhličitý |
CO2 |
||
|
CH 4 |
|||
|
H2O |
|||
Priemerná relatívna molárna hmotnosť je -28,98. 10-3 kg/mol
*Zloženie vzduchu sa môže líšiť. Typicky, v priemyselných oblastiach vzduch obsahuje
