Вес воздуха в сосуде
Из самого понятия “атмосферное давление” следует, что воздух должен иметь вес, иначе он не мог бы ни на что давить. Но мы этого не замечаем, нам кажется, что воздух невесом. Прежде чем говорить об атмосферном давлении, нужно доказать, что у воздуха есть вес, нужно его как-то взвесить. Как это сделать? Вес воздуха и атмосферное давление мы подробно рассмотрим в статье, изучая их при помощи экспериментов.
Опыт
Мы будем взвешивать воздух, находящийся в стеклянном сосуде. Он поступает в емкость через резиновую трубку в горлышке. Кран закрывает шланг так, что в него не поступает воздух. Удаляем воздух из сосуда с помощью вакуумного насоса. Интересно, что по мере откачивания звук насоса меняется. Чем меньший объем воздуха остается в колбе, тем тише работает насос. Чем дольше мы откачиваем воздух, тем более низким становится давление в сосуде.
Когда весь воздух удален, закрываем кран, пережимаем шланг, чтобы перекрыть доступ воздуха. Взвесим колбу без воздуха, потом откроем кран. Воздух зайдет внутрь с характерным свистом, и его вес добавится к весу колбы.
Сначала поместим пустой сосуд с закрытым краном на весы. Внутри емкости — вакуум, взвесим ее. Откроем кран, воздух зайдет внутрь, и снова взвесим содержимое колбы. Разница веса наполненной и пустой колбы и будет являться массой воздуха. Все просто.
Вес воздуха и атмосферное давление
Теперь перейдем к решению следующей задачи. Чтобы вычислить плотность воздуха, нужно его массу разделить на объем. Объем колбы известен, потому что он указан на ее стенке. ρ=mвозд /V. Надо сказать, что для получения так называемого высокого вакуума, то есть полного отсутствия воздуха в сосуде, нужно достаточно много времени. Если колба объемом 1,2 л, это примерно полчаса.
Мы выяснили, что воздух обладает массой. Земля его притягивает, а поэтому на него действует сила тяжести. Воздух давит на землю с силой, равной весу воздуха. Атмосферное давление, следовательно, существует. Оно проявляет себя в различных экспериментах. Проведем один из таких.
Эксперимент со шприцами
Возьмем пустой шприц, к которому присоединена гибкая трубка. Опустим поршень шприца и погрузим шланг в емкость с водой. Потянем поршень вверх, и вода начнет подниматься по трубке, наполняя шприц. Почему же вода, которую сила тяжести тянет вниз, все-таки поднимается за поршнем вверх?
В сосуде на нее сверху вниз действует атмосферное давление. Обозначим его Pатм. По закону Паскаля давление, которое производит атмосфера на поверхность жидкости, передается без изменений. Оно распространяется во все точки, значит внутри трубки тоже атмосферное давление, а в шприце над слоем воды находится вакуум (безвоздушное пространство), т. е. Р=0. Вот и получается, что снизу на воду давит атмосферное давление, а над поршнем давления нет, потому что там пустота. Из-за разности давлений вода заходит в шприц.
Опыт со ртутью
Вес воздуха и атмосферное давление — насколько они велики? Может, это что-то, чем можно пренебречь? Ведь один кубический метр железа имеет массу 7600 кг, а один кубический метр воздуха — всего 1,3 кг. Чтобы разобраться, видоизменим только что проведенный эксперимент. Вместо шприца возьмем бутылку, закрытую пробкой с трубкой. Присоединим трубку к насосу и начнем откачивать воздух.
В отличие от предыдущего опыта, мы создаем вакуум не под поршнем, а во всем объеме бутылки. Выключим насос и одновременно опустим трубку бутылки в емкость с водой. Мы увидим, как вода буквально за несколько секунд с характерным звуком заполнила через трубку бутылку. Высокая скорость, с которой она «врывалась» в бутылку, говорит о том, что атмосферное давление — это довольно большая величина. Опыт это доказывает.
Впервые измерил атмосферное давление, вес воздуха итальянский ученый Торричелли. Он провел такой опыт. Взял стеклянную трубку длиной чуть больше 1 м, запаянную с одного конца. Заполнил ее ртутью до краев. После этого он взял сосуд со ртутью, зажал пальцем его открытый конец, перевернул трубку и погрузил ее в емкость. Если бы атмосферного давления не было, то ртуть бы вся вылилась, но этого не произошло. Она вылилась частично, уровень ртути установился на высоте 760 мм.
Так случилось, потому что атмосфера давила на ртуть в емкости. Именно по этой причине у нас в предыдущих опытах вода загонялась в трубку, именно поэтому за шприцем шла вода. Но в этих двух экспериментах мы брали воду, плотность которой невелика. Ртуть имеет большую плотность, поэтому атмосферное давление смогло поднять ртуть, но не до самого верха, а только на 760 мм.
По закону Паскаля, давление, производимое на ртуть, передается во все ее точки в неизменном виде. Значит, внутри трубки тоже атмосферное давление. Но с другой стороны, это давление уравновешивается давлением столба жидкости. Обозначим высоту ртутного столба h. Мы можем сказать, что снизу вверх на ртуть действует атмосферное давление, а сверху вниз действует гидростатическое давление. В оставшихся незаполненными 240 мм находится вакуум. Кстати, этот вакуум еще называют торричеллиева пустота.
Формула и расчеты
Атмосферное давление Pатм равно гидростатическому и вычисляется по формуле ρрт*g*h . ρрт=13600 кг/м3. g=9,8 Н/кг. h=0,76 м. Pатм=101,3 КПа. Это довольно большая величина. Лист бумаги, лежащий на столе, производит давление в 1 Па, а атмосферное давление — 100 тыс. паскалей. Получается, что нужно положить один на другой 100 тыс. листов бумаги, чтобы они производили такое давление. Любопытно, не правда ли? Атмосферное давление и вес воздуха весьма большие, поэтому с такой силой заталкивали воду внутрь бутылки в ходе опыта.
Источник
Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов
На воздух, как и на всякое тело, находящееся на Земле, действует сила тяжести, и, следовательно, воздух обладает весом. Вес воздуха легко вычислить, зная его массу.
На опыте покажем, как определить массу воздуха. Для этого можно взять прочный стеклянный шар с пробкой и резиновой трубкой с зажимом (рис. 124). Выкачаем насосом из него воздух, зажмём трубку зажимом и уравновесим на весах. Затем, открыв зажим на резиновой трубке, впустим в шар воздух. Равновесие весов при этом нарушится. Для его восстановления придётся положить на другую чашку весов гири, масса которых и будет равна массе воздуха в объёме шара.
Опытами установлено, что при температуре 0 °С и нормальном атмосферном давлении масса воздуха объёмом 1 м3 равна 1,29 кг. Вес этого воздуха легко вычислить:
Воздушную оболочку, окружающую Землю, называют атмосферой (от греч. атмос — пар, воздух и сфера — шар).
Атмосфера, как показали наблюдения за полётом искусственных спутников Земли, простирается на высоту нескольких тысяч километров.
Вследствие действия силы тяжести верхние слои воздуха, подобно воде океана, сжимают нижние слои. Воздушный слой, прилегающий непосредственно к Земле, сжат больше всего и, согласно закону Паскаля, передаёт производимое на него давление по всем направлениям.
В результате этого земная поверхность и тела, находящиеся на ней, испытывают давление всей толщи воздуха, или, как обычно говорят, испытывают атмосферное давление.
Существованием атмосферного давления могут быть объяснены многие явления, с которыми мы встречаемся в жизни. (Например, мыльница и крючок на присосках, пипетка, шприц.) Рассмотрим некоторые из них.
На рисунке 125 изображена стеклянная трубка, внутри которой находится поршень, плотно прилегающий к стенкам трубки. Конец трубки опущен в воду. Если поднимать поршень, то за ним будет подниматься и вода. Происходит это потому, что при подъёме поршня между ним и водой образуется безвоздушное пространство. В это пространство под давлением наружного воздуха и поднимается вслед за поршнем вода.
Это явление используется в водяных насосах и некоторых других устройствах.
На рисунке 126 показан цилиндрический сосуд. Сосуд закрыт пробкой, в которую вставлена трубка с краном. Из сосуда насосом откачивают воздух. Затем конец трубки погружают в воду. Если теперь открыть кран, то вода фонтаном брызнет внутрь сосуда. Вода поступает в сосуд потому, что атмосферное давление больше давления разреженного воздуха в сосуде.
Вопросы
1. Как можно определить массу воздуха?
2. Какое физическое явление мы используем, набирая лекарства пипеткой?
3. Вследствие чего создаётся атмосферное давление?
4. Опишите опыты, подтверждающие существование атмосферного давления.
Упрожнение 19
1. Как для объяснения явлений, изображённых на рисунках 124 и 125, используется закон Паскаля?
2. Чему равен вес воздуха объёмом 1 м3?
Задание
1. Измерьте объём комнаты в вашей квартире и вычислите массу и вес воздуха в ней, считая, что его плотность равна 1,29 кг/м3.
2. На дне пластиковой бутылки (рис. 127) сделайте отверстие. Зажмите отверстие пальцем и налейте в бутылку воды, закройте горлышко крышкой. Осторожно отпустите палец. Вода из бутылки выливаться не будет. Теперь осторожно откройте крышку. Из отверстия польётся вода. Объясните наблюдаемое явление.
3. Напольная поилка для птиц (рис. 128) состоит из бутылки, наполненной водой и опрокинутой в корытце так, что горлышко находится немного ниже уровня воды в корытце. Почему вода не выливается из бутылки? Если уровень воды в корытце понизится и горлышко бутылки выйдет из воды, часть воды из бутылки выльется. Почему?
Изготовьте такой прибор и проделайте с ним указанные опыты.
4. На рисунке 129 изображён прибор ливер, служащий для взятия проб различных жидкостей. Ливер опускают в жидкость, затем закрывают пальцем верхнее отверстие и вынимают из жидкости. Когда верхнее отверстие открывают, из ливера начинает вытекать жидкость. Проделайте опыт и объясните действие этого прибора.
Источник
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 1см2 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:
Состав воздуха
Вес 1 м3 воздуха составляет 1,29 кг.
Можно ли доказать, что воздух имеет вес? 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:
- чем выше поднимается воздух, тем более разряженным он становится, то есть высоко в горах, давление воздуха будет составлять не 1 кг на см2, 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:
- Азот – 75,5%;
- Кислород – 23,15%;
- Аргон – 1,292%;
- Углекислый газ – 0,046%;
- Неон – 0,0014%;
- Метан – 0,000084%;
- Гелий – 0,000073%;
- Криптон – 0,003%;
- Водород – 0,00008%;
- Ксенон – 0,00004%.
Рассмотрим, что из себя представляют газы, которые формируют воздух?
Азот
Содержание азота в воздухе – 78% по объему и 75% по массе, то есть этот элемент доминирует в атмосфере, имеет звание одного из самых распространенных на Земле, и, кроме того, содержится и за пределами зоны обитания человека – на Уране, Нептуне и в межзвездных пространствах. Итак, сколько азота в воздухе, мы уже разобрались, остался вопрос о его функции. Азот необходим для существования живых существ, он входит в состав:
- белков;
- аминокислот;
- нуклеиновых кислот;
- хлорофилла;
- гемоглобина и др.
В среднем около 2% живой клетки составляют как раз атомы азота, что объясняет, зачем столько азота в воздухе в процентах объема и массы.
Азот также является одним из инертных газов, добываемых из атмосферного воздуха. Из него синтезируют аммиак, используют для охлаждения и в других целях.
Кислород
Содержание кислорода в воздухе – один из самых популярных вопросов. Сохраняя интригу, отвлечемся на один забавный факт: кислород открыли дважды – в 1771 и 1774 годах, однако из-за разницы в публикациях открытия, почести открытия элемента достались английскому химику Джозефу Пристли, который фактически выделил кислород вторым. Итак, доля кислорода в воздухе колеблется около 21% по объему и 23% по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют 99% всего земного воздуха. Однако процент кислорода в воздухе меньше, чем азота, и при этом мы не испытываем проблем с дыханием. Дело в том, что количество кислорода в воздухе оптимально рассчитано именно для нормального дыхания, в чистом виде этот газ действует на организм подобно яду, приводит к затруднениям в работе нервной системы, сбоям дыхания и кровообращения. При этом недостаток кислорода также негативно сказывается на здоровье, вызывая кислородное голодание и все связанные с ним неприятные симптомы. Поэтому сколько кислорода в воздухе содержится, столько и нужно для здорового полноценного дыхания.
Аргон
Аргон в воздухе занимает третье место, он не имеет запаха, цвета и вкуса. Значимой биологической роли этого газа не выявлено, однако он обладает наркотическим эффектом и даже считается допингом. Добытый из атмосферы аргон используют в промышленности, медицине, для создания искусственной атмосферы, химического синтеза, пожаротушения, создания лазеров и пр.
Углекислый газ
Углекислый газ составляет атмосферу Венеры и Марса, его процент в земном воздухе куда ниже. При этом огромное количество углекислоты содержится в океане, он регулярно поставляется всеми дышащими организмами, выбрасывается за счет работы промышленности. В жизни человека углекислый газ используется в пожаротушении, пищевой промышленности как газ и как пищевая добавка Е290 – консервант и разрыхлитель. В твердом виде углекислота – один из самых известных хладагентов «сухой лед».
Неон
Тот самый загадочный свет дискотечных фонарей, яркие вывески и современные фары используют пятый по распространенности химический элемент, который также вдыхает человек – неон. Как и многие инертные газы, неон оказывает на человека наркотическое действие при определенном давлении, однако именно этот газ используют в подготовке водолазов и других людей, работающих при повышенном давлении. Также неоново-гелиевые смеси используются в медицине при расстройствах дыхания, сам неон используют для охлаждения, в производстве сигнальных огней и тех самых неоновых ламп. Однако, вопреки стереотипу, неоновый свет не синий, а красный. Все остальные цвета дают лампы с другими газами.
Метан
Метан и воздух имеют очень древнюю историю: в первичной атмосфере, еще до появления человека, метан был в куда большем количестве. Сейчас этот газ, добываемый и используемый как топливо и сырье в производстве, не так широко распространен в атмосфере, но по-прежнему выделяется из Земли. Современные исследования устанавливают роль метана в дыхании и жизнедеятельности организма человека, однако авторитетных данных на этот счет пока нет.
Гелий
Посмотрев, сколько гелия в воздухе, любой поймет, что этот газ не относится к числу первостепенных по важности. Действительно, сложно определить биологическое значение этого газа. Не считая забавного искажения голоса при вдыхании гелия из шарика. Однако гелий широко применяется в промышленности: в металлургии, пищевой промышленности, для наполнения воздухоплавающих судов и метеорологических зондов, в лазерах, ядерных реакторах и т.д.
Криптон
Речь не идет о родине Супермена. Криптон – инертный газ, который в три раза тяжелее воздуха, химически инертен, добывается из воздуха, используется в лампах накаливания, лазерах и все еще активно изучается. Из интересных свойств криптона стоит отметить, что при давлении в 3,5 атмосферы он оказывает наркотический эффект на человека, а при 6 атмосферах приобретает резкий запах.
Водород
Водород в воздухе занимает 0,00005% по объему и 0,00008% по массе, но при этом именно он – самый распространенный элемент во Вселенной. О его истории, производстве и применении вполне можно написать отдельную статью, поэтому сейчас ограничимся небольшим списком отраслей: химическая, топливная, пищевая промышленности, авиация, метеорология, электроэнергетика.
Ксенон
Последний в составе воздуха, изначально и вовсе считавшийся только примесью к криптону. Его название переводится как «чужой», а процент содержания и на Земле, и за ее пределами минимальный, что обусловило его высокую стоимость. Сейчас без ксенона не обходятся: производство мощных и импульсных источников света, диагностика и наркоз в медицине, двигатели космических аппаратов, ракетное топливо. Кроме того, при вдыхании ксенон значительно понижает голос (обратный эффект гелию), а с недавнего времени вдыхание этого газа причислено к списку допингов.
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 1 м3 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 см2. 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 м3 воздуха, можно поделить всю заемную поверхность на воздушные столбы, с основанием 1х1 м и сложить полученную массу таких колонн. В конечном итоге, она будет равна 5,3*1015 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!
Физические свойства воздуха
Как и у всякой смеси веществ, сегодня можно установить физические свойства воздуха.
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Средняя молярная масса (средняя масса одного моля вещества) | 28,98 г/моль |
| Плотность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении | 1,29 кг/м3 |
| Средняя удельная теплоемкость при постоянном давлении | 1,005 кДж / (кг·К) |
| Средняя удельная теплоемкость при постоянном объеме | 0,717 кДж/(кг·К) |
| Показатель адиабаты (отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме) | 1,40 |
| Теплопроводность при 0℃ | 0,0243 Вт / (м·К) |
| Скорость звука в воздухе при нормальных условиях | 331 м/с (1193 км/ч) |
| Средний коэффициент теплового расширения в интервале температур 0–100°C (изменение объема при постепенном увеличении температуры при постоянном давлении) | 3,67·10−3 1/К |
| Коэффициент динамической вязкости воздуха при нормальных условиях (динамическая вязкость – внутреннее сопротивление молекул движению внутри вещества согласно закону Ньютона) | 17,2 мкПа·с |
| Растворимость воздуха в воде | 29,18 см3/л |
| Показатель преломления при нормальных условиях (показатель преломления означает изменение угла движения световых и любых других волн в веществе) | 1,0002926 |
| Коэффициент изменения показателя преломления | 2,8·10−9 1/Pa |
| Средняя поляризуемость молекулы | 1,7·10−30 |
Источник