قد يفاجأ الكثير من الناس بحقيقة أن الهواء له وزن معين غير صفري. ليس من السهل تحديد القيمة الدقيقة لهذا الوزن ، لأنه يتأثر بشدة بعوامل مثل التركيب الكيميائي والرطوبة ودرجة الحرارة والضغط. دعونا نلقي نظرة فاحصة على السؤال عن مقدار وزن الهواء.
ما هو الهواء
قبل الإجابة على السؤال عن مقدار وزن الهواء ، من الضروري فهم ماهية هذه المادة. الهواء عبارة عن قشرة غازية توجد حول كوكبنا ، وهي مزيج متجانس من غازات مختلفة. يحتوي الهواء على الغازات التالية:
- نيتروجين (78.08٪) ؛
- أكسجين (20.94٪) ؛
- الأرجون (0.93٪) ؛
- بخار الماء (0.40٪) ؛
- ثاني أكسيد الكربون (0.035٪).
بالإضافة إلى الغازات المذكورة أعلاه ، يحتوي الهواء أيضًا على كميات قليلة من النيون (0.0018٪) ، والهيليوم (0.0005٪) ، والميثان (0.00017٪) ، والكريبتون (0.00014٪) ، والهيدروجين (0.00005٪) ، الأمونيا (0.0003٪).
من المثير للاهتمام أن نلاحظ ذلكيمكنك فصل هذه المكونات إذا قمت بتكثيف الهواء ، أي تحويله إلى حالة سائلة عن طريق زيادة الضغط وخفض درجة الحرارة. نظرًا لأن كل مكون من مكونات الهواء له درجة حرارة التكثيف الخاصة به ، فمن الممكن بهذه الطريقة عزل جميع المكونات عن الهواء ، وهو ما يتم استخدامه عمليًا.
وزن الهواء والعوامل المؤثرة فيه
ما الذي يمنعك من إجابة السؤال بالضبط ، كم يزن المتر المكعب من الهواء؟ بالطبع هناك عدد من العوامل التي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على هذا الوزن
أولاً ، إنه التركيب الكيميائي. أعلاه هي البيانات الخاصة بتكوين الهواء النظيف ، ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، يكون هذا الهواء ملوثًا بشدة في العديد من الأماكن على الكوكب ، على التوالي ، سيكون تكوينه مختلفًا. وهكذا ، بالقرب من المدن الكبيرة ، يحتوي الهواء على ثاني أكسيد الكربون والأمونيا والميثان أكثر من الهواء في المناطق الريفية.
ثانيًا ، الرطوبة ، أي كمية بخار الماء الموجودة في الغلاف الجوي. كلما زاد رطوبة الهواء ، قل وزنه ، وتساوي الأشياء الأخرى.
ثالثًا ، درجة الحرارة. وهذا من العوامل المهمة فكلما انخفضت قيمته زادت كثافة الهواء وبالتالي زاد وزنه.
رابعًا ، الضغط الجوي ، الذي يعكس بشكل مباشر عدد جزيئات الهواء في حجم معين ، أي وزنه.
لفهم كيفية تأثير مزيج هذه العوامل على وزن الهواء ، لنأخذ مثالًا بسيطًا: كتلة متر واحد من الهواء المكعب الجاف عند درجة حرارة 25 درجة مئوية ، وتقع بالقرب من سطح الأرض ،1.205 كجم ، ولكن إذا أخذنا في الاعتبار حجمًا مشابهًا من الهواء بالقرب من سطح البحر عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، فستكون كتلته بالفعل تساوي 1.293 كجم ، أي أنها ستزداد بنسبة 7.3٪.
تغير في كثافة الهواء بارتفاع
مع زيادة الارتفاع ، ينخفض ضغط الهواء ، على التوالي ، تنخفض كثافته ووزنه. يمكن اعتبار هواء الغلاف الجوي عند الضغوط التي يتم ملاحظتها على الأرض غازًا مثاليًا كأول تقدير تقريبي. هذا يعني أن ضغط الهواء وكثافته مرتبطان رياضياً ببعضهما البعض من خلال معادلة حالة الغاز المثالي: P=ρRT / M ، حيث P هي الضغط ، ρ هي الكثافة ، T هي درجة الحرارة في كلن ، M الكتلة المولية للهواء ، R هو ثابت الغاز العام.
من الصيغة أعلاه ، يمكنك الحصول على صيغة لاعتماد كثافة الهواء على الارتفاع ، بالنظر إلى أن الضغط يتغير وفقًا للقانون P=P0+ ρgh ، حيث P0- الضغط على سطح الأرض ، g - تسارع السقوط الحر ، h - الارتفاع. استبدال هذه الصيغة للضغط في التعبير السابق ، والتعبير عن الكثافة ، نحصل على: ρ (h)=P0 M / (RT (h) + g (h)مح). باستخدام هذا التعبير ، يمكنك تحديد كثافة الهواء عند أي ارتفاع. وفقًا لذلك ، يتم تحديد وزن الهواء (بشكل صحيح ، الكتلة) بواسطة الصيغة m (h)=ρ (h)V ، حيث V هو الحجم المحدد.
في التعبير عن اعتماد الكثافة على الارتفاع ، يمكن للمرء أن يلاحظ أن درجة الحرارة وتسارع السقوط الحر يعتمدان أيضًا على الارتفاع. يمكن إهمال الاعتماد الأخير إذا كنا نتحدث عن ارتفاعات لا تزيد عن 1-2 كم. فيما يتعلق بالحرارة ، فإنهيتم وصف الاعتماد على الارتفاع بشكل جيد من خلال التعبير التجريبي التالي: T (h)=T0-0 ، 65h ، حيث T0هو درجة حرارة الهواء بالقرب من سطح الأرض.
من أجل عدم حساب الكثافة باستمرار لكل ارتفاع ، يوجد أدناه جدول لاعتماد خصائص الهواء الرئيسية على الارتفاع (حتى 10 كم).
أي الهواء هو أثقل
بعد النظر في العوامل الرئيسية التي تحدد إجابة السؤال عن مقدار وزن الهواء ، يمكنك فهم الهواء الذي سيكون أثقل. باختصار ، يزن الهواء البارد دائمًا أكثر من الهواء الدافئ ، لأن كثافة الأخير أقل ، والهواء الجاف يزن أكثر من الهواء الرطب. العبارة الأخيرة سهلة الفهم ، لأن الكتلة المولية للهواء هي 29 جم / مول ، والكتلة المولية لجزيء الماء 18 جم / مول ، أي 1.6 مرة أقل.
تحديد وزن الهواء في ظل ظروف معينة
الآن دعونا نحل مشكلة معينة. دعنا نجيب على السؤال عن مقدار وزن الهواء ، الذي يشغل حجم 150 لترًا ، عند درجة حرارة 288 كلفن ، ضع في اعتبارك أن 1 لتر هو جزء من ألف من المتر المكعب ، أي 1 لتر=0.001 م3. أما بالنسبة لدرجة حرارة 288 كلفن ، فهي تقابل 15 درجة مئوية ، أي أنها نموذجية للعديد من مناطق كوكبنا. الخطوة التالية هي تحديد كثافة الهواء. هناك طريقتان للقيام بذلك:
- احسب باستخدام الصيغة أعلاه لارتفاع 0 متر فوق مستوى سطح البحر. في هذه الحالة ، يتم الحصول على القيمة ρ=1.227 kg / m3
- انظر إلى الجدول أعلاه ، والذي يستند إلى T0=288.15 ك. يحتوي الجدول على القيمة ρ=1.225 kg / m3.
وهكذا حصلنا على رقمين متفقين بشكل جيد مع بعضهما البعض. يرجع الاختلاف الطفيف إلى خطأ قدره 0.15 كلفن في تحديد درجة الحرارة ، وأيضًا إلى حقيقة أن الهواء لا يزال غير مثالي ، ولكنه غاز حقيقي. لذلك ، لمزيد من الحسابات ، نأخذ متوسط القيمتين اللتين تم الحصول عليهما ، أي ، ρ=1 ، 226 كجم / م3.
الآن ، باستخدام صيغة العلاقة بين الكتلة والكثافة والحجم ، نحصل على: m=ρV=1.226 kg / m3 0.150 m3=0.1839 كجم أو 183.9 جرام.
يمكنك أيضًا الإجابة على مقدار وزن لتر من الهواء في ظل ظروف معينة: م=1.226 كجم / م3 0.001 م3=0.001226 كجم أو ما يقرب من 1.2 جرام
لماذا لا نشعر بالهواء يضغط علينا
كم يزن 1 م 3 من الهواء؟ ما يزيد قليلا عن 1 كيلوغرام. جدول الغلاف الجوي بأكمله لكوكبنا يضغط على شخص بوزن 200 كجم! هذه كتلة كبيرة من الهواء يمكن أن تسبب الكثير من المتاعب للإنسان. لماذا لا نشعر به؟ وذلك لسببين: أولاً ، هناك أيضًا ضغط داخلي داخل الشخص نفسه ، والذي يقاوم الضغط الجوي الخارجي ، وثانيًا ، أن الهواء ، باعتباره غازًا ، يمارس ضغطًا في جميع الاتجاهات بالتساوي ، أي أن الضغوط في جميع الاتجاهات توازن كل منها. أخرى.
