Mnoho lidí možná překvapí skutečnost, že vzduch má určitou nenulovou hmotnost. Přesnou hodnotu této hmotnosti není tak snadné určit, protože je silně ovlivněna faktory, jako je chemické složení, vlhkost, teplota a tlak. Podívejme se blíže na otázku, kolik váží vzduch.
Co je vzduch
Před zodpovězením otázky, kolik vzduch váží, je nutné pochopit, co je tato látka zač. Vzduch je plynný obal, který existuje kolem naší planety a který je homogenní směsí různých plynů. Vzduch obsahuje následující plyny:
- dusík (78,08 %);
- kyslík (20,94 %);
- argon (0,93 %);
- vodní pára (0,40 %);
- oxid uhličitý (0,035 %).
Kromě výše uvedených plynů vzduch obsahuje také minimální množství neonu (0,0018 %), helia (0,0005 %), metanu (0,00017 %), kryptonu (0,00014 %), vodíku (0,00005 %), čpavek (0,0003 %).
Je zajímavé si toho všimnoutTyto složky můžete oddělit, pokud vzduch kondenzujete, to znamená, že jej převedete do kapalného stavu zvýšením tlaku a snížením teploty. Vzhledem k tomu, že každá složka vzduchu má svou vlastní kondenzační teplotu, je možné tímto způsobem izolovat všechny složky od vzduchu, což se v praxi využívá.
Hmotnost vzduchu a faktory, které ji ovlivňují
Co vám brání přesně odpovědět na otázku, kolik váží krychlový metr vzduchu? Tuto váhu může samozřejmě výrazně ovlivnit řada faktorů.
Za prvé je to chemické složení. Výše jsou uvedeny údaje pro složení čistého vzduchu, nicméně v současnosti je tento vzduch na mnoha místech planety silně znečištěný, respektive jeho složení bude jiné. V blízkosti velkých měst tedy vzduch obsahuje více oxidu uhličitého, čpavku a metanu než vzduch ve venkovských oblastech.
Zadruhé vlhkost, tedy množství vodní páry obsažené v atmosféře. Čím je vzduch vlhčí, tím méně váží, ostatní věci jsou stejné.
Za třetí, teplota. To je jeden z důležitých faktorů, čím nižší je jeho hodnota, tím vyšší je hustota vzduchu, a tedy i jeho hmotnost.
Za čtvrté, atmosférický tlak, který přímo odráží počet molekul vzduchu v určitém objemu, tedy jeho hmotnost.
Abyste pochopili, jak kombinace těchto faktorů ovlivňuje hmotnost vzduchu, uveďme si jednoduchý příklad: hmotnost jednoho metru suchého krychlového vzduchu o teplotě 25 °C, který se nachází blízko zemského povrchu,je 1,205 kg, ale pokud vezmeme v úvahu podobný objem vzduchu v blízkosti mořské hladiny při teplotě 0 ° C, pak jeho hmotnost bude již rovna 1,293 kg, to znamená, že se zvýší o 7,3 %.
Změna hustoty vzduchu s výškou
S rostoucí výškou klesá tlak vzduchu, respektive jeho hustota a hmotnost. Atmosférický vzduch o tlacích, které jsou pozorovány na Zemi, lze podle prvního přiblížení považovat za ideální plyn. To znamená, že tlak a hustota vzduchu spolu matematicky souvisí prostřednictvím stavové rovnice ideálního plynu: P=ρRT/M, kde P je tlak, ρ je hustota, T je teplota v kelvinech, M je molární hmotnost vzduchu, R je univerzální plynová konstanta.
Z výše uvedeného vzorce můžete získat vzorec pro závislost hustoty vzduchu na výšce za předpokladu, že se tlak mění podle zákona P=P0+ρ gh, kde P 0 - tlak na zemském povrchu, g - zrychlení volného pádu, h - výška. Dosazením tohoto vzorce pro tlak do předchozího výrazu a vyjádřením hustoty dostaneme: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) M h). Pomocí tohoto výrazu můžete určit hustotu vzduchu v jakékoli výšce. Podle toho je hmotnost vzduchu (přesněji hmotnost) určena vzorcem m(h)=ρ(h)V, kde V je daný objem.
Ve výrazu pro závislost hustoty na výšce si lze všimnout, že na výšce závisí také teplota a zrychlení volného pádu. Poslední závislost lze zanedbat, pokud mluvíme o výškách ne větších než 1–2 km. Co se týče teploty, takvýškovou závislost dobře popisuje následující empirický výraz: T(h)=T0-0, 65h, kde T0 je teplota vzduchu při povrchu země.
Abychom neustále nepočítali hustotu pro každou výšku, níže je tabulka závislosti hlavních charakteristik vzduchu na výšce (až 10 km).
Který vzduch je nejtěžší
Po zvážení hlavních faktorů, které určují odpověď na otázku, kolik vzduch váží, můžete pochopit, který vzduch bude nejtěžší. Stručně řečeno, studený vzduch vždy váží více než teplý vzduch, protože jeho hustota je nižší a suchý vzduch váží více než vlhký vzduch. Poslední tvrzení je snadno pochopitelné, protože molární hmotnost vzduchu je 29 g/mol a molární hmotnost molekuly vody je 18 g/mol, tedy 1,6krát méně.
Určení hmotnosti vzduchu za daných podmínek
Nyní vyřešíme konkrétní problém. Odpovězme si na otázku, kolik váží vzduch o objemu 150 litrů při teplotě 288 K. Uvažujme, že 1 litr je tisícina metru krychlového, tedy 1 litr=0,001 m3. Pokud jde o teplotu 288 K, odpovídá 15°C, to znamená, že je typická pro mnoho oblastí naší planety. Dalším krokem je určení hustoty vzduchu. Existují dva způsoby, jak to udělat:
- Vypočítejte pomocí výše uvedeného vzorce pro výšku 0 metrů nad mořem. V tomto případě se získá hodnota ρ=1,227 kg/m3
- Podívejte se na výše uvedenou tabulku, která je založena na T0=288,15 K. Tabulka obsahuje hodnotu ρ=1,225 kg/m 3.
Získali jsme tedy dvě čísla, která spolu dobře souhlasí. Mírný rozdíl je způsoben chybou 0,15 K při stanovení teploty a také tím, že vzduch stále není ideální, ale skutečný plyn. Proto pro další výpočty vezmeme průměr ze dvou získaných hodnot, tj. ρ=1, 226 kg/m3.
Nyní pomocí vzorce pro vztah mezi hmotností, hustotou a objemem dostaneme: m=ρV=1,226 kg/m30,150 m3=0,1839 kg nebo 183,9 gramů.
Můžete také odpovědět, kolik litr vzduchu váží za daných podmínek: m=1,226 kg/m30,001 m3=0,001226 kg nebo přibližně 1,2 gramu.
Proč necítíme tlak vzduchu na nás
Kolik váží 1 m3 vzduchu? Něco málo přes 1 kilogram. Celá atmosférická tabulka naší planety tlačí na člověka svou hmotností 200 kg! Jedná se o dostatečně velkou masu vzduchu, která by mohla člověku způsobit nemalé potíže. Proč to necítíme? To je způsobeno dvěma důvody: za prvé existuje také vnitřní tlak uvnitř samotného člověka, který působí proti vnějšímu atmosférickému tlaku, a za druhé, vzduch, jako plyn, vyvíjí tlak ve všech směrech stejně, to znamená, že tlaky ve všech směrech jsou v rovnováze. jiné.
