Mnogo ljudi bo morda presenečeno nad dejstvom, da ima zrak določeno težo, ki ni nič. Natančne vrednosti te teže ni tako enostavno določiti, saj nanjo močno vplivajo dejavniki, kot so kemična sestava, vlažnost, temperatura in tlak. Poglejmo si podrobneje vprašanje, koliko zraka tehta.
Kaj je zrak
Preden odgovorimo na vprašanje, koliko zraka tehta, je treba razumeti, kaj je ta snov. Zrak je plinasta lupina, ki obstaja okoli našega planeta in je homogena mešanica različnih plinov. Zrak vsebuje naslednje pline:
- dušik (78,08%);
- kisik (20,94%);
- argon (0,93%);
- vodna para (0,40%);
- ogljikov dioksid (0,035%).
Poleg zgoraj naštetih plinov zrak vsebuje tudi minimalne količine neona (0,0018%), helija (0,0005%), metana (0,00017%), kriptona (0,00014%), vodika (0,00005%), amoniak (0,0003%).
To je zanimivoTe komponente lahko ločite, če zrak kondenzirate, to je, da ga s povečanjem tlaka in zniževanjem temperature spremenite v tekoče stanje. Ker ima vsaka komponenta zraka svojo temperaturo kondenzacije, je na ta način mogoče vse komponente izolirati od zraka, kar se v praksi uporablja.
Zračna teža in dejavniki, ki nanjo vplivajo
Kaj vam preprečuje, da bi natančno odgovorili na vprašanje, koliko tehta kubični meter zraka? Seveda lahko številni dejavniki močno vplivajo na to težo.
Najprej gre za kemično sestavo. Zgoraj so podatki za sestavo čistega zraka, vendar je trenutno ta zrak na mnogih mestih na planetu močno onesnažen, torej bo njegova sestava drugačna. Tako v bližini velikih mest zrak vsebuje več ogljikovega dioksida, amoniaka, metana kot zrak na podeželju.
Drugič, vlažnost, to je količina vodne pare v ozračju. Bolj vlažen kot je zrak, manjša je njegova teža, če so druge enake.
Tretjič, temperatura. To je eden od pomembnih dejavnikov, nižja kot je njegova vrednost, večja je gostota zraka in s tem večja je njegova teža.
Četrtič, atmosferski tlak, ki neposredno odraža število molekul zraka v določenem volumnu, to je njegovo težo.
Da bi razumeli, kako kombinacija teh dejavnikov vpliva na težo zraka, vzemimo preprost primer: masa enega metra suhega kubičnega zraka pri temperaturi 25 °C, ki se nahaja blizu površine zemlje,je 1,205 kg, če pa upoštevamo podoben volumen zraka v bližini morske površine pri temperaturi 0 ° C, bo njegova masa že enaka 1,293 kg, torej se bo povečala za 7,3%.
Sprememba gostote zraka z višino
Ko se višina poveča, se zračni tlak zmanjša, njegova gostota in teža se zmanjšata. Atmosferski zrak pri tlakih, ki jih opazimo na Zemlji, lahko v prvem približku štejemo za idealen plin. To pomeni, da sta tlak in gostota zraka med seboj matematično povezani z enačbo stanja idealnega plina: P=ρRT/M, kjer je P tlak, ρ gostota, T temperatura v kelvinih, M je molska masa zraka, R je univerzalna plinska konstanta.
Iz zgornje formule lahko dobite formulo za odvisnost gostote zraka od višine, glede na to, da se tlak spreminja po zakonu P=P0+ρ gh, kjer je P 0 - tlak na zemeljski površini, g - pospešek prostega padca, h - višina. Če to formulo za tlak nadomestimo s prejšnjim izrazom in izrazimo gostoto, dobimo: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) M h). S tem izrazom lahko določite gostoto zraka na kateri koli višini. Težo zraka (bolj pravilno, masa) določimo s formulo m(h)=ρ(h)V, kjer je V podana prostornina.
V izrazu za odvisnost gostote od višine lahko opazimo, da sta temperatura in pospešek prostega pada odvisna tudi od višine. Zadnjo odvisnost lahko zanemarimo, če govorimo o višinah največ 1–2 km. Kar zadeva temperaturo, jeodvisnost od nadmorske višine je dobro opisana z naslednjim empiričnim izrazom: T(h)=T0-0, 65h, kjer je T0 temperatura zraka blizu površine tal.
Da ne bi nenehno izračunavali gostote za vsako višino, je spodaj tabela odvisnosti glavnih značilnosti zraka od višine (do 10 km).
Kateri zrak je najtežji
Po upoštevanju glavnih dejavnikov, ki določajo odgovor na vprašanje, koliko zraka tehta, lahko razumete, kateri zrak bo najtežji. Skratka, hladen zrak vedno tehta več kot topel, saj je gostota slednjega manjša, suh zrak pa več kot vlažen. Zadnjo trditev je enostavno razumeti, saj je molska masa zraka 29 g/mol, molska masa molekule vode pa 18 g/mol, torej 1,6-krat manj.
Določanje teže zraka pod danimi pogoji
Sedaj pa rešimo konkreten problem. Odgovorimo na vprašanje, koliko zraka tehta, ki zavzema prostornino 150 litrov, pri temperaturi 288 K. Upoštevajte, da je 1 liter tisočinka kubičnega metra, torej 1 liter=0,001 m3. Kar zadeva temperaturo 288 K, ustreza 15 ° C, torej je značilna za številne regije našega planeta. Naslednji korak je določitev gostote zraka. To lahko storite na dva načina:
- Izračunajte z zgornjo formulo za višino 0 metrov nad morsko gladino. V tem primeru dobimo vrednost ρ=1,227 kg/m3
- Oglejte si zgornjo tabelo, ki temelji na T0=288,15 K. Tabela vsebuje vrednost ρ=1,225 kg/m 3.
Tako smo dobili dve številki, ki se med seboj dobro ujemata. Rahla razlika je posledica napake 0,15 K pri določanju temperature, pa tudi dejstva, da zrak še vedno ni idealen, ampak pravi plin. Zato za nadaljnje izračune vzamemo povprečje obeh dobljenih vrednosti, to je ρ=1, 226 kg/m3.
Z uporabo formule za razmerje med maso, gostoto in prostornino dobimo: m=ρV=1,226 kg/m30,150 m3=0,1839 kg ali 183,9 gramov.
Lahko odgovorite tudi, koliko tehta liter zraka pod danimi pogoji: m=1,226 kg/m30,001 m3=0,001226 kg ali približno 1,2 grama.
Zakaj ne čutimo, kako zrak pritiska na nas
Koliko tehta 1 m3 zraka? Nekaj več kot 1 kilogram. Celotna atmosferska miza našega planeta pritiska na osebo s svojo težo 200 kg! To je dovolj velika masa zraka, ki bi lahko človeku povzročila veliko težav. Zakaj tega ne čutimo? To je posledica dveh razlogov: prvič, znotraj samega človeka obstaja tudi notranji tlak, ki nasprotuje zunanjemu atmosferskemu tlaku, in drugič, zrak, kot plin, izvaja pritisk v vse smeri enako, to pomeni, da tlaki v vseh smereh uravnotežijo vsakega drugo.
