אנשים רבים עשויים להיות מופתעים מהעובדה שלאוויר יש משקל מסוים שאינו אפס. לא כל כך קל לקבוע את הערך המדויק של משקל זה, מכיוון שהוא מושפע מאוד מגורמים כמו הרכב כימי, לחות, טמפרטורה ולחץ. בואו נסתכל מקרוב על השאלה כמה אוויר שוקל.
מה זה אוויר
לפני תשובה לשאלה כמה אוויר שוקל, יש צורך להבין מהו החומר הזה. אוויר הוא מעטפת גזי הקיימת סביב כוכב הלכת שלנו, והיא תערובת הומוגנית של גזים שונים. האוויר מכיל את הגזים הבאים:
- חנקן (78.08%);
- oxygen (20.94%);
- argon (0.93%);
- אדי מים (0.40%);
- פחמן דו חמצני (0.035%).
בנוסף לגזים המפורטים לעיל, האוויר מכיל גם כמויות מינימליות של ניאון (0.0018%), הליום (0.0005%), מתאן (0.00017%), קריפטון (0.00014%), מימן (0.00005%), אמוניה (0.0003%).
מעניין לציין את זהאתה יכול להפריד את הרכיבים האלה אם אתה מעבה אוויר, כלומר, הופך אותו למצב נוזלי על ידי הגברת הלחץ והורדת הטמפרטורה. מכיוון שלכל רכיב באוויר יש טמפרטורת עיבוי משלו, כך ניתן לבודד את כל הרכיבים מהאוויר, המשמש בפועל.
משקל האוויר וגורמים שמשפיעים עליו
מה מונע ממך לענות בדיוק על השאלה, כמה שוקל מטר מעוקב אוויר? כמובן, מספר גורמים שיכולים להשפיע רבות על משקל זה.
ראשית, זה ההרכב הכימי. למעלה מופיעים הנתונים להרכב האוויר הנקי, אולם כיום אוויר זה מזוהם מאוד במקומות רבים על פני כדור הארץ, בהתאמה, הרכבו יהיה שונה. לכן, ליד ערים גדולות, האוויר מכיל יותר פחמן דו חמצני, אמוניה, מתאן מאשר האוויר באזורים כפריים.
שנית, לחות, כלומר, כמות אדי המים המצויים באטמוספירה. ככל שהאוויר לח יותר, כך הוא שוקל פחות, שאר הדברים שווים.
שלישי, טמפרטורה. זהו אחד הגורמים החשובים, ככל שהערך שלו נמוך יותר, צפיפות האוויר גבוהה יותר, ובהתאם, משקלו גדול יותר.
רביעית, לחץ אטמוספרי, המשקף ישירות את מספר מולקולות האוויר בנפח מסוים, כלומר, משקלו.
כדי להבין כיצד השילוב של הגורמים הללו משפיע על משקל האוויר, ניקח דוגמה פשוטה: המסה של מטר אחד של אוויר מעוקב יבש בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס, הממוקם ליד פני כדור הארץ,הוא 1.205 ק"ג, אבל אם ניקח בחשבון נפח אוויר דומה ליד פני הים בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס, המסה שלו כבר תהיה שווה ל-1.293 ק"ג, כלומר, היא תגדל ב-7.3%.
שינוי בצפיפות האוויר עם הגובה
ככל שהגובה עולה, לחץ האוויר יורד, בהתאמה, צפיפותו ומשקלו יורדים. אוויר אטמוספרי בלחצים הנצפים על פני כדור הארץ יכול להיחשב כגז אידיאלי כקירוב ראשון. המשמעות היא שהלחץ והצפיפות של האוויר קשורים זה לזה מבחינה מתמטית באמצעות משוואת המצב של גז אידיאלי: P=ρRT/M, כאשר P הוא לחץ, ρ הוא צפיפות, T הוא טמפרטורה בקלווין, M היא המסה המולרית של האוויר, R הוא קבוע הגז האוניברסלי.
מהנוסחה לעיל, ניתן לקבל את הנוסחה לתלות צפיפות האוויר בגובה, בהינתן שהלחץ משתנה לפי החוק P=P0+ρ gh, כאשר P 0 - לחץ על פני כדור הארץ, g - תאוצת נפילה חופשית, h - גובה. החלפת נוסחה זו ללחץ בביטוי הקודם, ומבטא את הצפיפות, נקבל: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) מ ח). באמצעות ביטוי זה, אתה יכול לקבוע את צפיפות האוויר בכל גובה. בהתאם לכך, משקל האוויר (יותר נכון, מסה) נקבע על ידי הנוסחה m(h)=ρ(h)V, כאשר V הוא הנפח הנתון.
בביטוי לתלות הצפיפות בגובה, אפשר לשים לב שהטמפרטורה ותאוצת הנפילה החופשית תלויים גם בגובה. אפשר להזניח את התלות האחרונה אם אנחנו מדברים על גבהים של לא יותר מ-1-2 ק מ. לגבי טמפרטורה, זההתלות בגובה מתוארת היטב על ידי הביטוי האמפירי הבא: T(h)=T0-0, 65h, כאשר T0 הוא ה- טמפרטורת האוויר ליד פני הקרקע.
כדי לא לחשב כל הזמן את הצפיפות לכל גובה, להלן טבלה של התלות של מאפייני האוויר העיקריים בגובה (עד 10 ק מ).
איזה אוויר הכי כבד
לאחר שקלטתם את הגורמים העיקריים שקובעים את התשובה לשאלה כמה אוויר שוקל, תוכלו להבין איזה אוויר יהיה הכבד ביותר. בקיצור, אוויר קר תמיד שוקל יותר מאוויר חם, שכן הצפיפות של האחרון נמוכה יותר, ואוויר יבש שוקל יותר מאוויר לח. האמירה האחרונה קלה להבנה, שכן המסה המולרית של האוויר היא 29 גרם/מול, והמסה המולרית של מולקולת מים היא 18 גרם/מול, כלומר פי 1.6 פחות.
קביעת משקל האוויר בתנאים נתונים
עכשיו בואו נפתור בעיה ספציפית. בואו נענה על השאלה כמה אוויר שוקל, תופס נפח של 150 ליטר, בטמפרטורה של 288 K. קחו בחשבון ש-1 ליטר הוא אלפית מטר מעוקב, כלומר, 1 ליטר=0.001 m3. באשר לטמפרטורה של 288 K, היא מתאימה ל-15 מעלות צלזיוס, כלומר היא אופיינית לאזורים רבים בכוכב הלכת שלנו. השלב הבא הוא לקבוע את צפיפות האוויר. ישנן שתי דרכים לעשות זאת:
- חשב באמצעות הנוסחה לעיל עבור גובה של 0 מטר מעל פני הים. במקרה זה, הערך ρ=1.227 ק"ג/מ"מ מתקבל3
- הסתכל בטבלה לעיל, המבוססת על T0=288.15 K. הטבלה מכילה את הערך ρ=1.225 kg/m 3.
לכן, קיבלנו שני מספרים שמתואמים זה עם זה. הבדל קל נובע משגיאה של 0.15 K בקביעת הטמפרטורה, וגם מהעובדה שהאוויר עדיין אינו אידיאלי, אלא גז אמיתי. לכן, לחישובים נוספים, ניקח את הממוצע של שני הערכים שהתקבלו, כלומר, ρ=1, 226 kg/m3.
עכשיו, באמצעות הנוסחה לקשר בין מסה, צפיפות ונפח, נקבל: m=ρV=1.226 kg/m30.150 m3=0.1839 ק ג או 183.9 גרם.
ניתן גם לענות כמה שוקל ליטר אוויר בתנאים נתונים: m=1.226 kg/m30.001 m3=0.001226 ק ג או כ-1.2 גרם.
למה אנחנו לא מרגישים את האוויר לוחץ עלינו
כמה שוקל 1 מ"ק אוויר? קצת יותר מ-1 קילוגרם. כל הטבלה האטמוספרית של הפלנטה שלנו מפעילה לחץ על אדם עם משקלו של 200 ק"ג! זוהי מסה גדולה מספיק של אוויר שיכולה לגרום לאדם צרות רבות. למה אנחנו לא מרגישים את זה? הדבר נובע משתי סיבות: ראשית, ישנו גם לחץ פנימי בתוך האדם עצמו, שנוגד לחץ אטמוספרי חיצוני, ושנית, אוויר, בהיותו גז, מפעיל לחץ לכל הכיוונים באופן שווה, כלומר, לחצים בכל הכיוונים מאזנים כל אחד מהם. אחר.
