Sokan meglepődhetnek azon, hogy a levegőnek van egy bizonyos súlya, amely nem nulla. Ennek a súlynak a pontos értékét nem olyan egyszerű meghatározni, mivel azt erősen befolyásolják olyan tényezők, mint a kémiai összetétel, a páratartalom, a hőmérséklet és a nyomás. Nézzük meg közelebbről azt a kérdést, hogy mekkora a levegő súlya.
Mi az a levegő
Mielőtt válaszolna arra a kérdésre, hogy mekkora a levegő súlya, meg kell értenie, mi ez az anyag. A levegő egy gáznemű héj, amely bolygónk körül létezik, és amely különféle gázok homogén keveréke. A levegő a következő gázokat tartalmazza:
- nitrogén (78,08%);
- oxigén (20,94%);
- argon (0,93%);
- vízgőz (0,40%);
- szén-dioxid (0,035%).
A fent felsorolt gázokon kívül a levegő minimális mennyiségben tartalmaz neont (0,0018%), héliumot (0,0005%), metánt (0,00017%), kriptont (0,00014%), hidrogént (0,00005%), ammónia (0,0003%).
Érdekes megjegyezni, hogyEzeket az alkatrészeket szétválaszthatja, ha levegőt kondenzál, azaz nyomás növelésével és hőmérséklet csökkentésével folyékony halmazállapotúvá alakítja. Mivel a levegő minden komponensének saját kondenzációs hőmérséklete van, így lehetséges az összes komponens elkülönítése a levegőtől, ami a gyakorlatban is használatos.
Légtömeg és azt befolyásoló tényezők
Mi akadályoz meg abban, hogy pontosan válaszoljon arra a kérdésre, hogy mennyit nyom egy köbméter levegő? Természetesen számos tényező nagyban befolyásolhatja ezt a súlyt.
Először is, ez a kémiai összetétel. Fentebb a tiszta levegő összetételére vonatkozó adatokat közöljük, azonban jelenleg ez a levegő sok helyen erősen szennyezett a bolygón, illetve összetétele más lesz. Így a nagyvárosok közelében a levegő több szén-dioxidot, ammóniát, metánt tartalmaz, mint a vidéki területeken.
Másodszor a páratartalom, vagyis a légkörben lévő vízgőz mennyisége. Minél nedvesebb a levegő, annál kisebb a súlya, ha a többi tényező egyenlő.
Harmadszor, a hőmérséklet. Ez az egyik fontos tényező, minél kisebb az értéke, annál nagyobb a levegő sűrűsége, és ennek megfelelően annál nagyobb a súlya.
Negyedszer, a légköri nyomás, amely közvetlenül tükrözi egy adott térfogatban lévő levegőmolekulák számát, azaz tömegét.
Ahhoz, hogy megértsük, hogyan befolyásolja ezeknek a tényezőknek a kombinációja a levegő tömegét, vegyünk egy egyszerű példát: egy méter száraz köbös levegő tömege 25 ° C hőmérsékleten, a Föld felszíne közelében,1,205 kg, de ha hasonló mennyiségű levegőt veszünk figyelembe a tengerfelszín közelében 0 ° C hőmérsékleten, akkor tömege már 1,293 kg lesz, azaz 7,3% -kal nő.
A levegő sűrűségének változása a magassággal
A magasság növekedésével a légnyomás csökken, a sűrűsége és súlya csökken. A Földön megfigyelt nyomású légköri levegő első közelítésként ideális gáznak tekinthető. Ez azt jelenti, hogy a levegő nyomása és sűrűsége matematikailag összefügg egymással az ideális gáz állapotegyenletén keresztül: P=ρRT/M, ahol P a nyomás, ρ a sűrűség, T a hőmérséklet kelvinben, M a levegő moláris tömege, R az univerzális gázállandó.
A fenti képletből megkaphatja a levegősűrűség magasságtól való függésének képletét, feltéve, hogy a nyomás a törvény szerint változik P=P0+ρ gh, ahol P 0 - nyomás a föld felszínén, g - szabadesési gyorsulás, h - magasság. Ha ezt a nyomásképletet behelyettesítjük az előző kifejezésbe, és kifejezzük a sűrűséget, a következőt kapjuk: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) M h). Ezzel a kifejezéssel bármilyen magasságban meghatározhatja a levegő sűrűségét. Ennek megfelelően a levegő tömegét (helyesebben tömegét) az m(h)=ρ(h)V képlet határozza meg, ahol V a megadott térfogat.
A sűrűség magasságtól való függésének kifejezésében észrevehető, hogy a hőmérséklet és a szabadesés gyorsulása is függ a magasságtól. Az utolsó függést elhanyagolhatjuk, ha 1-2 km-nél nem nagyobb magasságokról beszélünk. Ami a hőmérsékletet illeti, aza magasságfüggést jól leírja a következő empirikus kifejezés: T(h)=T0-0, 65h, ahol T0 a levegő hőmérséklete a talajfelszín közelében.
Annak érdekében, hogy ne kelljen állandóan kiszámítani az egyes magasságok sűrűségét, az alábbiakban egy táblázat található a fő levegőjellemzők magasságtól való függéséről (10 km-ig).
Melyik levegő a legnehezebb
Ha megvizsgálja azokat a fő tényezőket, amelyek meghatározzák a levegő súlyának kérdésére adott választ, megértheti, hogy melyik levegő lesz a legnehezebb. Röviden: a hideg levegő mindig többet nyom, mint a meleg, mivel az utóbbi sűrűsége kisebb, a száraz levegő pedig nagyobb, mint a nedves levegő. Az utolsó állítás könnyen érthető, hiszen a levegő moláris tömege 29 g/mol, a vízmolekuláé pedig 18 g/mol, azaz 1,6-szor kisebb.
A levegő tömegének meghatározása adott körülmények között
Most oldjunk meg egy konkrét problémát. Válaszoljunk arra a kérdésre, hogy mennyi a levegő tömege, 150 liter térfogatot elfoglalva 288 K hőmérsékleten. Vegyük figyelembe, hogy 1 liter a köbméter ezredrésze, azaz 1 liter=0,001 m3. Ami a 288 K hőmérsékletet illeti, az 15°C-nak felel meg, vagyis bolygónk számos régiójára jellemző. A következő lépés a levegő sűrűségének meghatározása. Ennek két módja van:
- Számítsa ki a fenti képlettel a 0 méteres tengerszint feletti magasságra. Ebben az esetben a ρ=1,227 kg/m értéket kapjuk3
- Nézze meg a fenti táblázatot, amelynek alapja a T0=288,15 K. A táblázat a ρ=1,225 kg/m értéket tartalmazza 3.
Így két olyan számot kaptunk, amelyek jól egyeznek egymással. Az enyhe eltérés a hőmérséklet-meghatározás 0,15 K-es hibájából adódik, és abból is, hogy a levegő még mindig nem ideális, hanem valódi gáz. Ezért a további számításokhoz a két kapott érték átlagát vesszük, azaz ρ=1, 226 kg/m3.
Most a tömeg, a sűrűség és a térfogat összefüggésének képletével a következőt kapjuk: m=ρV=1,226 kg/m30,150 m3=0,1839 kg vagy 183,9 gramm.
Azt is megválaszolhatja, hogy adott körülmények között mennyit nyom egy liter levegő: m=1,226 kg/m30,001 m3=0,001226 kg vagy körülbelül 1,2 gramm.
Miért nem érezzük, hogy ránk nyom a levegő
Mennyi a súlya 1 m3 levegőnek? Kicsit több mint 1 kilogramm. Bolygónk teljes légköri asztala 200 kg-os súlyával nyomást gyakorol az emberre! Ez egy elég nagy levegőtömeg, amely sok gondot okozhat az embernek. Miért nem érezzük? Ennek két oka van: egyrészt magában az emberben is van belső nyomás, ami ellensúlyozza a külső légköri nyomást, másrészt a levegő gáz lévén minden irányban egyformán fejt ki nyomást, vagyis a minden irányú nyomás kiegyenlíti egymást. egyéb.
