Сколько весит воздух занимающий объем 1 м3. Что такое плотность воздуха и чему она равна при нормальных условиях? Определение веса воздуха при заданных условиях
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.
Сжатый воздух - это воздух, находящийся под давлением, превышающим атмосферное давление.
Сжатый воздух является уникальным энергоносителем наряду с электроэнергией, природным газом и водой. В производственных условиях сжатый воздух, в основном, используется для привода в действие устройств и механизмов с пневматическим приводом (пневмопривод).
В повседневной, обыденной жизни мы практически не замечаем окружающий нас Воздух. Тем не менее, на протяжении всей истории человечества, люди использовали уникальные свойства воздуха. Изобретение паруса и кузнечного горна, ветряной мельницы и воздушного шара стали первыми шагами использования воздуха в качестве энергоносителя.
С изобретением компрессора настала эпоха индустриального использования сжатого воздуха. И вопрос: « что же представляет собой Воздух, и какими свойствами он обладает?» - стал далеко не праздным.
Приступая к проектированию новой пневмосистемы или модернизации уже существующей, нелишне будет вспомнить и о некоторых свойствах воздуха, терминах и единицах измерения.
Воздух это смесь газов, главным образом состоящая из азота и кислорода.
|
Состав воздуха |
|||
|
Элемент* |
Обозначение |
По объёму, % |
По массе , % |
|
Кислород |
|||
|
Углекислый газ |
CO 2 |
||
|
CH 4 |
|||
|
H 2 O |
|||
Средняя относительная молярная масса -28,98 . 10 -3 кг/моль
*Состав воздуха может меняться. Как правило, в промышленных зонах воздух содержит
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»
Воздух – неосязаемая величина, его невозможно пощупать, понюхать, он находится повсюду, но для человека он невидим, узнать, сколько весит воздух непросто, но возможно. Если поверхность Земли, как в детской игре расчертить на мелкие квадратики, размером 1х1 см, то вес каждого из них будет равен 1 кг, то есть в 1см 2 атмосферы содержится 1 кг воздуха.
Можно ли это доказать? Вполне. Если соорудить весы из обычного карандаша и двух воздушных шаров, закрепив конструкцию на нити, карандаш будет находиться в равновесии, поскольку вес двух накачанных шариков одинаков. Стоит проткнуть один из шаров, перевес окажется в сторону надутого шарика, потому как воздух из поврежденного шарика вышел наружу. Соответственно, простой физический опыт доказывает, что воздух имеет некий вес. Но, если взвесить воздух на равнинной поверхности и в горах, то его масса окажется различной – горный воздух значительно легче, чем тот, которым мы дышим возле моря. Причин разного веса несколько:
Вес 1м 3 воздуха составляет 1,29 кг.
- чем выше поднимается воздух, тем более разреженным он становится, то есть высоко в горах, давление воздуха будет составлять не 1 кг на см 2 , а вполовину меньше, но и содержание необходимого для дыхания кислорода так же уменьшается ровно вполовину, что способно вызвать головокружение, тошноту и боль в ушах;
- содержание воды в воздухе.
В состав воздушной смеси входят:
1.Азот – 75,5%;
2. Кислород – 23,15%;
3. Аргон – 1,292%;
4. Углекислый газ – 0,046%;
5. Неон – 0,0014%;
6. Метан – 0,000084%;
7. Гелий – 0,000073%;
8. Криптон – 0,003%;
9. Водород – 0,00008%;
10. Ксенон – 0,00004%.
Количество ингредиентов в составе воздуха может меняться и, соответственно, масса воздуха так же претерпевает изменения в сторону увеличения или уменьшения.
- воздух всегда содержит пары воды. Физическая закономерность такова, что чем выше температура воздуха, тем больше воды в нем содержится. Этот показатель называется влажностью воздуха и влияет на его вес.
В чем измеряется вес воздуха? Существует несколько показателей, которые определяют его массу.
Сколько весит куб воздуха?
При температуре, равной 0° по Цельсию вес 1м 3 воздуха составляет 1,29 кг. То есть, если в комнате мысленно выделить пространство высотой, шириной и длиной, равными 1м, то в этом воздушном кубе будет находиться именно это количество воздуха.
Если воздух имеет вес и вес, достаточно ощутимый, почему человек не чувствует тяжести? Такое физическое явление, как атмосферное давление, подразумевает, что на каждого жителя планеты давит воздушный столб весом 250 кг. Площадь ладони взрослого человека, в среднем, равна 77 см 2 . То есть, в соответствии с физическим законами, каждый из нас держит на ладони 77 кг воздуха! Это равноценно тому, что мы постоянно носим в каждой руке по 5 пудовых гирь. В реальной жизни это не под силу даже тяжелоатлету, однако, с такой нагрузкой каждый из нас справляется легко, потому что атмосферное давление давит с двух сторон, как снаружи человеческого организма, так и изнутри, то есть разница в конечном итоге равна нулю.
Свойства воздуха таковы, что он по-разному действует на организм человека. Высоко в горах, из-за недостатка кислорода у людей возникают зрительные галлюцинации, а на большой глубине, соединение кислорода и азота в особую смесь – «веселящий газ» может создавать чувство эйфории и ощущение невесомости.
Зная эти физические величины можно рассчитать массу атмосферы Земли – то количество воздуха, которое удерживается в околоземном пространстве силами тяготения. Верхняя граница атмосферы заканчивается на высоте 118 км, то есть, зная вес м 3 воздуха, можно поделить всю заемную поверхность на воздушные столбы, с основанием 1х1м и сложить полученную массу таких колонн. В конечном итоге, она будет равна 5,3*10 в пятнадцатой степени тонн. Вес воздушной брони планеты достаточно велик, но и он составляет лишь одну миллионную долю от общей массы земного шара. Атмосфера Земли служит своеобразным буфером, сохраняющим Землю от неприятных космических сюрпризов. От одних только солнечных бурь, которые достигают поверхности планеты, атмосфера теряет в год до 100 тысячи тонн от своей массы! Такой невидимый и надежный щит – воздух.
Сколько весит литр воздуха?
Человек не замечает, что его постоянно окружает прозрачный и практически невидимый воздух. Можно ли увидеть этот неосязаемый элемент атмосферы? Наглядно, перемещение воздушных масс ежедневно транслируется на телевизионном экране – теплый или холодный фронт приносит долгожданное потепление или обильный снегопад.
Что еще мы знаем о воздухе? Наверное, то, что он жизненно необходим всем живым существам, обитающим на планете. Человек каждые сутки вдыхает и выдыхает порядка 20 кг воздуха, четвертая часть которого потребляется мозгом.
Вес воздуха можно измерять в разных физических величинах, в том числе и в литрах. Вес одного литра воздуха будет равняться 1,2930 грамм, при давлении 760 мм рт. столба и температуре, равной 0°С. Кроме привычного газообразного состояния воздух может встречаться и в жидком виде. Для перехода субстанции в данное агрегатное состояние потребуется воздействие огромного давления и очень низких температур. Астрономы предполагают, что существуют планеты, поверхность которых полностью покрыта жидким воздухом.
Источниками кислорода, необходимого для существования человека, являются леса Амазонии, которые продуцируют до 20% этого важного элемента на всей планете.
Леса – это действительно «зеленые» легкие планеты, без которых существование человека попросту невозможно. Поэтому живые комнатные растения в квартире являются не просто предметом интерьера, они очищают воздух в помещении, загрязнение которого в десятки раз выше, чем на улице.
Чистый воздух давно стал дефицитом в мегаполисах, загрязненность атмосферы настолько велика, что люди готовы покупать чистый воздух. Впервые «продавцы воздуха» появились в Японии. Они производили и продавали чистый воздух в консервных банках и любой житель Токио мог на ужин открыть баночку чистейшего воздуха, и насладиться его свежайшим ароматом.
Чистота воздуха оказывает значительное влияние не только на здоровье человека, но и животных. В загрязненных районах экваториальных вод, возле населенных людьми мест десятками гибнут дельфины. Причиной смерти млекопитающих является загрязненная атмосфера, на вскрытии животных легкие дельфинов напоминают легкие шахтеров, забитые угольной пылью. Очень чувствительны к загрязнению воздуха и обитатели Антарктиды – пингвины, если воздух содержит большое количество вредных примесей, они начинают тяжело и прерывисто дышать.
Для человека чистота воздуха так же очень важна, поэтому после работы в офисе врачи рекомендуют совершать ежедневные часовые прогулки в парке, лесу, за городом. После такой «воздушной» терапии, жизненные силы организма восстанавливаются и значительно улучшается самочувствие. Рецепт этого бесплатного и эффективного лекарства известен с давних времен, многие ученые, правители считали обязательным ритуалом ежедневные прогулки на свежем воздухе.
Для современного городского жителя лечение воздухом очень актуальна: небольшая порция живительного воздуха, вес которой равен 1-2 кг, является панацеей от многих современных недугов!
