ممکن است بسیاری از مردم از این واقعیت تعجب کنند که هوا وزن غیر صفر خاصی دارد. تعیین مقدار دقیق این وزن چندان آسان نیست، زیرا به شدت تحت تأثیر عواملی مانند ترکیب شیمیایی، رطوبت، دما و فشار است. بیایید نگاهی دقیق‌تر به این سوال بیندازیم که هوا چقدر وزن دارد.
هوا چیست
قبل از پاسخ به این سوال که وزن هوا چقدر است، باید فهمید که این ماده چیست. هوا پوسته ای گازی است که در اطراف سیاره ما وجود دارد و مخلوطی همگن از گازهای مختلف است. هوا حاوی گازهای زیر است:
- نیتروژن (78.08%)؛
- اکسیژن (20.94%)؛
- آرگون (0.93%);
- بخار آب (0.40%)؛
- دی اکسید کربن (0.035%).
علاوه بر گازهای ذکر شده در بالا، هوا همچنین حاوی حداقل مقادیر نئون (0.0018٪)، هلیوم (0.0005٪)، متان (0.00017٪)، کریپتون (0.00014٪)، هیدروژن (0.00005٪)، آمونیاک (0.0003%).
جالب است که بدانیماگر هوا را متراکم کنید، می توانید این اجزا را جدا کنید، یعنی با افزایش فشار و کاهش دما، آن را به حالت مایع تبدیل کنید. از آنجایی که هر یک از اجزای هوا دمای تراکم خاص خود را دارند، به این ترتیب می توان همه اجزا را از هوا جدا کرد که در عمل از آن استفاده می شود.
وزن هوا و عوامل مؤثر بر آن
چه چیزی شما را از پاسخ دقیق به این سوال باز می دارد که وزن یک متر مکعب هوا چقدر است؟ البته عوامل متعددی می توانند بر این وزن تاثیر بسزایی داشته باشند.
اول، این ترکیب شیمیایی است. در بالا داده های مربوط به ترکیب هوای پاک وجود دارد، با این حال، در حال حاضر این هوا در بسیاری از نقاط کره زمین به شدت آلوده است، به ترتیب، ترکیب آن متفاوت خواهد بود. بنابراین، در نزدیکی شهرهای بزرگ، هوا حاوی دی اکسید کربن، آمونیاک و متان بیشتری نسبت به هوای مناطق روستایی است.
دوم، رطوبت، یعنی مقدار بخار آب موجود در جو. هر چه هوا مرطوب تر باشد، وزن آن کمتر می شود، بقیه چیزها برابر هستند.
سوم، دما. این یکی از عوامل مهم است، هر چه مقدار آن کمتر باشد، چگالی هوا بیشتر می شود و بر این اساس وزن آن بیشتر می شود.
چهارم، فشار اتمسفر، که به طور مستقیم تعداد مولکول های هوا در یک حجم معین، یعنی وزن آن را منعکس می کند.
برای درک اینکه چگونه ترکیب این عوامل بر وزن هوا تأثیر می گذارد، اجازه دهید یک مثال ساده بیاوریم: جرم یک متر هوای مکعبی خشک در دمای 25 درجه سانتیگراد، واقع در نزدیکی سطح زمین،1.205 کیلوگرم است، اما اگر حجم مشابهی از هوا را در نزدیکی سطح دریا در دمای 0 درجه سانتیگراد در نظر بگیریم، جرم آن در حال حاضر برابر با 1.293 کیلوگرم خواهد بود، یعنی 7.3٪ افزایش می یابد..
تغییر چگالی هوا با ارتفاع
با افزایش قد، فشار هوا به ترتیب کاهش می یابد، تراکم و وزن آن کاهش می یابد. هوای اتمسفر در فشارهایی که روی زمین مشاهده می شود را می توان در اولین تقریب به عنوان گاز ایده آل در نظر گرفت. این بدان معنی است که فشار و چگالی هوا از طریق معادله حالت یک گاز ایده آل به صورت ریاضی با یکدیگر مرتبط هستند: P=ρRT/M که P فشار، ρ چگالی، T دما بر حسب کلوین است. M جرم مولی هوا، R ثابت گاز جهانی است.
از فرمول بالا می توانید فرمول وابستگی چگالی هوا به ارتفاع را بدست آورید، با توجه به اینکه فشار طبق قانون P=P0+ρ تغییر می کند. gh، جایی که P 0 - فشار در سطح زمین، g - شتاب سقوط آزاد، h - ارتفاع. با جایگزینی این فرمول برای فشار به عبارت قبلی، و بیان چگالی، به دست می‌آید: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) M h). با استفاده از این عبارت می توانید چگالی هوا را در هر ارتفاعی تعیین کنید. بر این اساس، وزن هوا (به طور صحیح تر، جرم) با فرمول m(h)=ρ(h)V تعیین می شود، که در آن V حجم داده شده است.
در بیان وابستگی چگالی به ارتفاع، می توان متوجه شد که دما و شتاب سقوط آزاد به ارتفاع نیز بستگی دارد. اگر در مورد ارتفاعات بیش از 1-2 کیلومتر صحبت کنیم، می توان آخرین وابستگی را نادیده گرفت. در مورد دما، آنوابستگی به ارتفاع با عبارت تجربی زیر به خوبی توصیف می شود: T(h)=T0-0، 65h، که در آن T0 برابر است دمای هوا در نزدیکی سطح زمین.
برای اینکه به طور مداوم چگالی برای هر ارتفاع محاسبه نشود، در زیر جدولی از وابستگی مشخصات اصلی هوا به ارتفاع (تا 10 کیلومتر) آورده شده است.
کدام هوا سنگین‌ترین است
با در نظر گرفتن عوامل اصلی تعیین کننده پاسخ به این سوال که وزن هوا چقدر است، می توانید بفهمید که کدام هوا سنگین ترین خواهد بود. به طور خلاصه، وزن هوای سرد همیشه بیشتر از هوای گرم است، زیرا چگالی هوای دوم کمتر است و هوای خشک بیشتر از هوای مرطوب وزن دارد. آخرین جمله به راحتی قابل درک است، زیرا جرم مولی هوا 29 گرم در مول است و جرم مولی یک مولکول آب 18 گرم در مول است، یعنی 1.6 برابر کمتر.
تعیین وزن هوا در شرایط معین
حالا بیایید یک مشکل خاص را حل کنیم. بیایید به این سؤال پاسخ دهیم که وزن هوا با حجم 150 لیتر در دمای 288 کلوین چقدر است. در نظر بگیرید که 1 لیتر یک هزارم متر مکعب است، یعنی 1 لیتر=0.001 m3. در مورد دمای 288 کلوین، با 15 درجه سانتیگراد مطابقت دارد، یعنی برای بسیاری از مناطق سیاره ما معمولی است. مرحله بعدی تعیین چگالی هوا است. دو راه برای انجام این کار وجود دارد:
- با استفاده از فرمول بالا برای ارتفاع 0 متر از سطح دریا محاسبه کنید. در این حالت، مقدار ρ=1.227 کیلوگرم بر متر به دست می آید3
- به جدول بالا نگاه کنید، که بر اساس T0=288.15 K است. جدول حاوی مقدار ρ=1.225 kg/m 3 است..
بنابراین، دو عدد به دست آوردیم که همخوانی خوبی با یکدیگر دارند. یک تفاوت جزئی به دلیل خطای 0.15 K در تعیین دما و همچنین به دلیل این واقعیت است که هوا هنوز یک گاز ایده آل نیست، بلکه یک گاز واقعی است. بنابراین، برای محاسبات بیشتر، میانگین دو مقدار بدست آمده را می گیریم، یعنی ρ=1, 226 kg/m3.
اکنون، با استفاده از فرمول رابطه بین جرم، چگالی و حجم، به دست می آوریم: m=ρV=1.226 kg/m30.150 m3=0.1839 کیلوگرم یا 183.9 گرم.
همچنین می توانید پاسخ دهید که در شرایط داده شده چقدر یک لیتر هوا وزن دارد: m=1.226 kg/m30.001 m3=0.001226 کیلوگرم یا تقریباً 1.2 گرم.
چرا احساس نمی کنیم هوا به ما فشار می آورد
1 متر مکعب هوا چقدر وزن دارد؟ کمی بیشتر از 1 کیلوگرم. کل جدول جوی سیاره ما با وزن 200 کیلوگرمی خود به فرد فشار می آورد! این یک توده هوا به اندازه کافی بزرگ است که می تواند مشکلات زیادی را برای فرد ایجاد کند. چرا ما آن را احساس نمی کنیم؟ این به دو دلیل است: اولاً فشار درونی درون خود شخص وجود دارد که با فشار خارجی اتمسفر مقابله می کند و دوم اینکه هوا به عنوان گاز در همه جهات به یک اندازه فشار وارد می کند، یعنی فشارها در همه جهات هر کدام را متعادل می کند. دیگر.
