Плотность воздуха: виды, формула, расчет онлайн, зависимость от других параметров |

Основное уравнение статики атмосферы

Теперь поставим вопрос: по какому закону меняется атмосферное давление с высотой?

Возьмем вертикальный столб воздуха с поперечным сечением, равным единице, и выделим в этом столбе бесконечно тонкий слой, ограниченный снизу поверхностью на высоте z, а сверху — поверхностью на высоте z dz; толщина слоя, таким образом, dz.

На нижнюю поверхность выделенного элементарного объема смежный воздух действует с силой давления, направленной снизу вверх; величина этой силы на рассматриваемую поверхность с площадью, равной единице, и будет давлением воздуха р на этой поверхности.

Кроме того, воздух в рассматриваемом элементарном объеме испытывает силу тяжести, которая направлена вниз и равна ускорению силы тяжести g (ускорению свободно падающего тела), умноженному на массу воздуха во взятом объеме. Так как при поперечном сечении, равном единице, объем равен dz, то масса воздуха в нем равна ρdz, где ρ — плотность воздуха, а сила тяжести равна gρdz.

Допустим, что в атмосфере существует равновесие также и в вертикальном направлении, т. е. что взятый объем воздуха не имеет никакого ускорения также и по вертикали и, таким образом, остается на одном и том же уровне, несмотря на наличие веса. Это значит, что сила тяжести (вес) и силы давления уравновешиваются.

Вниз направлены сила давления p dp и вес gρdz; возьмем их с отрицательным знаком. Вверх направлена сила давления р, которую возьмем с положительным знаком. Сумму всех этих трех сил приравняем нулю и, таким образом, получим dp = -gρdz. (1)

Отсюда следует, что при положительном dz имеем отрицательное dp, т. е. что с высотой атмосферное давление падает. При этом разность давлений на нижней и верхней границах рассматриваемого элементарного объема равна весу воздуха в этом объеме.

Уравнение (1) носит название основного уравнения статики атмосферы. Это дифференциальное уравнение говорит о том, как меняется давление при бесконечно малом приросте высоты.

Основное уравнение статики можно написать еще так: -(1/ρ)*(dp/dz) — g = 0

Величина -dp/dz падение давления на единицу прироста высоты, т. е. вертикальный барический градиент (вертикальный градиент давления). Это равнодействующая сил давления, направленных сверху и снизу на единицу нашего объема.

Разделив ее на плотность ρ, мы получим силу вертикального барического градиента, отнесенную к единице массы и направленную вверх.

Второй член — это сила тяжести, действующая на ту же единицу массы и направленная вниз. Она равна силе барического градиента, но направлена в противоположную сторону. Следовательно, основное уравнение статики выражает условие равновесия между двумя силами, действующими на единицу массы воздуха по вертикали, — силой вертикального барического градиента и силой тяжести.

Выше было показано, что бесконечно малая разность давлений равна весу элементарного объема воздуха с толщиной dz. Следовательно, и конечная разность давлений между нижним и верхним уровнем равна весу воздушного столба между этими уровнями.

Задания к части 1 «теоретические основы термодинамики»

К разделу 1 Основные понятия и исходные положения термодинамики

1. Один, т.е. 1 м3 воздуха содержит 1 кг воды в виде мелких капель, распыленных по объему. Можно ли эту смесь рассматривать как термодинамическую систему?

Ответ: можно

2. Что произойдет с температурой системы, если при постоянных удельном объёме и давлении из системы убрать половину её структурных частиц?

Ответ: Температура не изменится.

3. На торцах стержня, боковая поверхность которого теплоизолирована, поддерживаются постоянные температуры Tj и Т2 (Tj >Т2). В каком состоянии находится система?

Ответ: В стационарном неравновесном состоянии.

К разделу 2 Первый закон термодинамики

1. 1л воды нагревается с помощью электрического кипятильника

мощностью 300 Вт. За какое время вода нагреется до температуры кипения, если теплообмен с окружающей средой отсутствует, а начальная температура воды равна

20 °С?

Ответ: 18,6 мин.

2. Найти среднюю удельную теплоёмкость азота в интервале температур 1000 — 2000 °С, если известно, что в интервале температур 0 — 2000 °С она равна 1,19 кДж/(кг-К), а в интервале температур 0 — 1000 °С, соответственно — 1,12кДж/(кг -К).

2000 °С , ^ „ т,ч

Ответ: с = -= 1,26 кДж/(кг*К).

ср 1000 °С

3. Стальной брус высотой 2 м и сечением 100 см2 находится под нагрузкой 100 т. Надо ли учитывать работу расширения при расчёте теплоты на нагрев бруса от 0 до 200 °С ? Плотность стали 7,8 г/см3, коэффициент линейного расширения 0,000013 м/К, удельная теплоемкость стали 0,46 кДж/(кг К).

Ответ: Не надо, так как AU = 14380 кДж, a L = 5 кДж.

4. Какая доля теплоты, подведённой к 1 кг кислорода в изобарном процессе, затрачивается на изменение внутренней энергии ?

Ответ: Согласно первому закону термодинамики подведённая теплота

откуда имеем следующее соотношение:

К разделу 3 Второй закон термодинамики

1. Возможен ли процесс, в котором теплота, взятая от горячего источника, полностью превращается в работу?

Ответ: Таким процессом является, например, изотермическое расширение идеального газа, находящегося в тепловом контакте с горячим источником. Так как в этом процессе изменение внутренней энергии равно нулю, то согласно первому закону термодинамики, работа, совершённая при расширении газа, равна количеству теплоты, переданной от горячего источника.

Таким образом, имеет место полное превращение теплоты в работу. Но это не противоречит второму закону термодинамики, который утверждает, что невозможен процесс, единственным конечным результатом которого будет превращение в работу теплоты, извлечённой от горячего источника.

2. Каков максимальный КПД тепловой машины, работающей между температурами 400 и 18 °С.

Ответ: г{ =0,57.

3. Как можно использовать теплоту воды с температурой 4 °С для отопления помещения, имеющего температуру 20 °С? Нарисуйте схему такой машины.

Ответ: Примерно вот такой схемой можно организовать использование еплоты от воды с такими параметрами.

4. Показать, что две адиабаты не могут пересекаться друг с другом.

Ответ: Предположим, что адиабаты пересекаются в точке с. Проведем между ними изотермический процесс ab, получим цикл abc, в котором совершается работа (эквивалентная заштрихованной площади) за счёт охлаждения одного источника теплоты, что противоречит второму закону термодинамики.

5. Определить работоспособность (эксергию) 200 кДж теплоты продуктов сгорания в топке при температуре 1000 °С. Температура среды 10 °С. Определить потерю эксергии этой теплоты, если вся она будет передана тепловому источнику (пару в котле) с температурой 500 °С.

Ответ: Эксергия теплоты при температуре 1000 °С

Эксергия теплоты при температу ре 500 °С L макс = 200(1 — 283/773) = = 126,8 кДж. Таким образом, в результате перехода 200 кДж теплоты с высокого температурного уровня (1000 °С) на более низкий (500 °С) работоспособность этого количества теплоты уменьшилась на 28,7 кДж, на (28,7/200) ТОО = 14,35 %, несмотря на то, что вся теплота продуктов сгорания передана пару.

К разделу 4 Основные термодинамические процессы в газах, парах и

их смесях

1. Воздух по объему состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Определить состав воздуха по массе, парциальные давления кислорода и азота при давлении смеси 760 мм рт. ст. и плотность воздуха при нормальных физических условиях, считая его идеальным газом.

Ответ: Кажущаяся молекулярная масса смеси:

Плотность воздуха при нормальных физических условиях:

Состав воздуха по массе :

Парциальные давления кислорода и азота:

2. Один кг. (1 кг) воздуха при температуре 10 °С и начальном давлении ОД МПа сжимается изотермически в компрессоре до конечного давления 1 МПа. Определить конечный объём, затраченную работу и количество теплоты, которое необходимо отвести от газа.

Ответ: Начальный объём воздуха:

Из уравнения процесса конечный объём:

Работа, затрачиваемая на сжатие:

Количество теплоты, отводимой от газа, равно работе сжатия, поэтому можно считать, что q = — 187 кДж/кг.

3. Как известно, в атмосфере существуют конвекционные токи, непрерывно перемещающие воздух из верхних слоёв в нижние, а из нижних в верхние. Когда воздух поднимается в верхние слои с более низким давлением, он адиабатически расширяется (ибо является плохим проводником теплоты) и его температура понижается. Считая воздух идеальным газом, вычислить высотный градиент температуры в атмосфере.

Ответ: Чтобы найти изменение температуры, рассмотрим столб воздуха высотой dy с поперечным сечением, равным единице. На нижней поверхности этого столба давление равно р , а на верхней р dp, где dp — изменение давления, вызванное весом столба воздуха. Поскольку увеличение высоты сопровождается уменьшением давления, то:

Так как:

Для адиабатного процесса:

Логарифмирование и дифференцирование этого уравнения даётся следующее:

После подстановки выражения для dp получаем последующее выражение:

Полагая к = 1,4; R = 287 Дж/(кг-К); g = 9,81 м/с2, получаем

количественный параметр:

Наблюдаемое в действительности среднее снижение температуры по высоте (1К на каждые 200 м.) несколько меньше вычисленного. Различие объясняется неучётом влажности воздуха. Когда при некоторой температу ре воздух окажется насыщенным влагой, то дальнейшее понижение температуры приведёт к конденсации водяных паров и выделению теплоты конденсации. По этой причине понижение температуры будет происходить медленнее, чем это следует из расчёта.

Из решения видно, что задача не такая простая, хотя по условию и постановке вопроса на первый взгляд кажется пустяково-простой!

Э 5 i

4. 3 м воздуха при давлении 4*10 Па расширяются до трехкратного объема и давления рз = 105 Па. Считая процесс политропным, вычислить показа-тель политропы, работ}’ расширения, количество теплоты и изменение внутренней энергии в этом процессе.

Ответ: В политропном процессе :

откуда показатель политропы п = 1п4/1пЗ = 1,26. Работа расширения определяется из выражения:

Количество теплоты:

Однако, мы знаем, что :

AU — изменение внутренней энергии газа, которое по первому закону термодинамики равно:

поэтому следует:

а далее при подстановке цифровых значений получаем:

Работа расширения совершается газом за счёт сообщения ему теплоты и уменьшения его внутренней энергии.»

Данная задача хорошо даёт навык рассуждения категориями термодинамики и учит правильно ставить акценты при подходе к решению.

5. Перегретый пар расширяется в турбине по адиабате от начального давления 8 МПа и температуры 500 °С до р2 = 100 кПа. Определить конечное состояние пара, изменение внутренней энергии и работу’ расширения.

Ответ: По Л, s — диаграмме находим, что пар в конце расширения будет влажным со степенью сухости х = 0,81.

Начальные параметры: А/ = 3405 кДж/кг; Vj = 0,046 м /кг.

А конечные параметры получаются: /ъ = 2130 кДж/кг; и V2= 12,7м /кг. Изменение внутренней энергии :

К разделу 5 Особенности термодинамики открытых систем

1. Определить теоретические значения скорости истечения и расхода воздуха, вытекающего из воздухопровода через отверстие диаметром 5 мм в атмосферу. Избыточное давление в воздухопроводе 0,2-105 Па, температура 20 °С.

Барометрическое давление 758 мм рт.ст.

Ответ: Абсолютное давление воздуха в воздухопроводе будет:

Отношение давлений при истечении воздуха их отверстие:

Поэтому скорость истечения меньше критической и определяется по формуле (5.15):

Удельный объём воздуха в воздухопроводе определится:

Площадь поперечного сечения отверстия:

Секундный расход воздуха при истечении из отверстия определим по формуле:

2. Во сколько раз изменится теоретическая скорость истечения сухого насыщенного пара {pi = 4.5 МПа) в атмосферу, если суживающееся сопло заменить соплом Лаваля? Трение в сопле не учитывать.

Ответ Коэффициент критической скорости при истечении сухого насыщенного

пара:

Следовательно, истечение происходит в сверхзвуковой области. Определим критическое давление пара:

Скорость истечения из суживающего сопла:

Скорость истечения из сопла Лаваля:

Таким образом, видно, что при замене суживающего сопла на сопло Лаваля скорость истечения увеличится в 2,5 раза.

3. За счет чего при дросселировании пара любого состояния происходит увеличение энтропии?

Ответ: За счёт неравновесное™ процесса дросселирования.

4. Можно ли в результате дросселирования сухого насыщенного пара вновь получить сухой пар меньшего давления?

Ответ: Да, можно, если начальное давление дросселируемого пара больше

т л

5. Компрессор сжимает 100 м /ч воздуха температу рой t} = 27 °С от давления Pi = 0.098 до р2 = 0,8 МПа. Определить мощность, необходимую для привода идеального (без потерь) компрессора, считая сжатие изотермическим, адиабатическим и политропным с показателем политропы п = 1,2.

Ответ: Мощность при изотермическом сжатии:

Мощность при адиабатном сжатии:

Мощность при политропном сжатии:

Таким образом, определяется идеальная мощность компрессора.

1. Вывести формулу для КПД цикла ДВС со сгоранием при р const и сравнить КПД двух циклов при одинаковых значениях е. vy / v2 (смотри рисунок 6.2, а) обозначить через р. К какому значению стремится а/, при р —> 1?.

Ответ: КПД цикла ДВС определим по формуле:

так как р> 1 и k > 1 , то (pk — 1) > к(р- I).

Значит, чем больше р, тем большая величина вычитается из единицы, т.е. меньше КПД — ци При значении р —> 1, раскрывая неопределенность, получим значение КПД — tjt —> 1 — 1/ек~].

2. Почему вырабатываемая турбиной мощность превышает мощность, затраченную на привод компрессора, если массовые расходы через них рабочего тела и перепады давлений практически одинаковы (смотри рисунок 6.4)?

Ответ: Температура газа в турбине выше, чем в компрессоре, поэтому больше и удельный объём при том же давлении, а элементарная техническая работа I dlrnexH.I = I vdp |. В результате этого рассуждения и 1теХн. > 1Комп. (смотри рисунки 6.4 и 6.5).

3. Пользуясь h, s — диаграммой водяного пара, посчитать КПД цикла Ренкина на насыщенном паре при давлении перед турбиной 9,8 МПа. Сравнить с КПД цикла Карно, имеющего те же параметры, а также цикла Ренкина при перегреве пара до 540 °С. Давление за турбиной р2 = 4 кПа.

Ответ: Температура насыщения при р = 0.8 МПа равна 309 °С, а при р = 4-10″ МПа — соответственно 29 °С. КПД цикла Карно в этом диапазоне температур равна = 0,48. КПД циклов Ренкина 0,4 и 0,43.

4. Пар из отбора турбины (смотри рисунок 6.14) с давлением ротб можно использовать не только для теплофикации, но и для подогрева конденсата, поступающего из конденсатора в котел. Где нужно установить поверхностный теплообменник — до или после конденсатного насоса, подающего в котел конденсат. Повысит ли это КПД цикла?

Ответ: Теплообменник необходимо ставить после конденсационного насоса, так как до него вода находится при температуре кипения; подогреть её, не превращая в пар, при этом давлении невозможно. КПД цикла повысится за счёт регенерации теплоты — меньше теплоты отработавшего пара будет отдано холодному источнику в конденсаторе.

5. Имеет ли смысл поставить холодильник, чтобы снизить температуру конденсации пара за турбиной и тем самым повысить КПД цикла?

Ответ: Ставить холодильник нет смысла. В идеальном случае он будет потреблять такую же работу, которую можно дополнительно получить за счёт увеличения КПД цикла, а в реальном (с учётом потерь эксергии) — большую.

Атмосферное давление

Всякий газ производит давление на ограничивающие его стенки, т. е. действует на эти стенки с какой-то силой давления, направленной перпендикулярно (нормально) к стенке. Числовую величину этой силы давления, отнесенную к единице площади, и называют давлением.

В каждой точке атмосферы имеется определенная величина атмосферного давления, или давления воздуха.

Атмосферное давление можно выразить, например, в граммах или килограммах веса на один квадратный сантиметр или метр. На уровне моря оно близко к одному килограмму на квадратный сантиметр. В метеорологии его выражают, однако, в других единицах.

С давних пор принято выражать атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба. Это значит, что давление атмосферы сравнивают с эквивалентным ему давлением столба ртути. Когда говорят, например, что атмосферное давление на земной поверхности в данном месте равно 750 мм, это значит, что столб ртути высотою 750 мм давил бы на земную поверхность так же, как давит воздух.

Выражение давления в миллиметрах ртутного столба появилось в метеорологии не случайно. Оно связано с устройством основного прибора для измерения атмосферного давления — ртутного барометра. В этом приборе, известном из элементарного курса физики, атмосферное давление как раз уравновешивается давлением столба ртути; по изменениям высоты ртутного столба можно судить об изменениях атмосферного давления.
На уровне моря среднее атмосферное давление близко к 760 мм рт. ст.

В отдельных случаях давление может меняться на уровне моря в пределах 150 мм рт. ст. С высотой атмосферное давление быстро убывает.

В настоящее время в метеорологии давление выражают в абсолютных единицах — миллибарах (мб). Один миллибар есть давление, которое сила в 1000 дин производит на площадь в один квадратный сантиметр. Среднее атмосферное давление на уровне моря — 760 мм рт. ст.

Влажноадиабатические изменения температуры

С адиабатическим подъемом влажного ненасыщенного воздуха связано такое важное изменение, как приближение его к состоянию насыщения. Температура воздуха при его подъеме понижается; поэтому на какой-то высоте достигается насыщение. Эта высота называется уровнем конденсации.

При дальнейшем подъеме влажный насыщенный воздух охлаждается иначе, чем ненасыщенный. В нем происходит конденсация, а при конденсации выделяется в значительных количествах скрытая теплота парообразования, или теплота. Выделение этой теплоты замедляет понижение температуры воздуха при подъеме.

Поэтому в поднимающемся насыщенном воздухе температура падает уже не по уравнению Пуассона, а по влажноадиабатическому закону. Она падает тем медленнее, чем больше влагосодержание воздуха в состоянии насыщения (что в свою очередь зависит от температуры и давления).

На каждые 100 м подъема насыщенный воздух при давлении 1000 мб и температуре 0° охлаждается на 0,66 , при температуре 20° — на 0,44° и при температуре -20° — на 0,88°. При более низком давлении падение температуры соответственно меньше. Падение температуры в насыщенном воздухе при подъеме его на единицу высоты (100 м) называют влажноадиабатическим градиентом.

При очень низких температурах, которые получает воздух при подъеме в высокие слои атмосферы, водяного пара в нем остается немного и выделение теплоты конденсации поэтому также мало. Падение температуры при подъеме в таком воздухе приближается к падению в сухом воздухе.

Иначе говоря, влажноадиабатический градиент при низких, температурах приближается по величине к сухоадиабатическому.
При опускании насыщенного воздуха процесс может происходить по-разному в зависимости от того, содержит ли воздух жидкие продукты конденсации (капельки и кристаллы), или они уже целиком выпали из воздуха в виде осадков.

Если в воздухе нет продуктов конденсации, то воздух, как только температура в нем начнет при опускании расти, сразу станет ненасыщенным. Поэтому воздух, опускаясь, будет нагреваться по сухоадиабатическому закону, т. е. на 1°/100 м. Если же в воздухе есть капельки и кристаллы, то они при опускании и нагревании воздуха будут постепенно испаряться.

При этом часть тепла воздушной массы перейдет в скрытую теплоту парообразования, и потому повышение температуры при опускании замедлится. В результате воздух останется насыщенным до тех пор, пока все продукты конденсации не перейдут в газообразное состояние.

А температура в нем будет в это время повышаться по влажноадиабатическому закону: не на 1°/100 м, а на меньшую величину — именно на такую, на какую понизилась бы температура в восходящем насыщенном воздухе при тех же значениях температуры и давления.

Водяной пар в воздухе

Процентное содержание водяного пара во влажном воздухе у земной поверхности составляет в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% у экватора, а в отдельных случаях колеблется почти от нуля до 4%. В связи с этим становится переменным и процентное соотношение других газов во влажном воздухе.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путем испарения с водных поверхностей, с влажной почвы и путем транспирации растений, при этом в разных местах и в разное время он поступает в различных количествах. От земной поверхности он распространяется вверх, а воздушными течениями переносится из одних мест Земли в другие.

В атмосфере может возникать состояние насыщения. В таком состоянии водяной пар содержится в воздухе в количестве, предельно возможном при данной температуре. Водяной пар при этом называют насыщающим, а воздух, содержащий его, насыщенным.

Состояние насыщения обычно достигается при понижении температуры воздуха. Когда это состояние достигнуто, то при дальнейшем понижении температуры часть водяного пара становится избыточной и конденсируется, переходит в жидкое или твердое состояние. В воздухе возникают водяные капельки и ледяные кристаллики облаков и туманов.

С водяным паром в воздухе и с его переходами из газообразного состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы погоды и особенности климата. Наличие водяного пара в атмосфере существенно сказывается на тепловых условиях атмосферы и земной поверхности.

Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности. Это уменьшает ночное охлаждение земной поверхности и тем самым также нижних слоев воздуха.

На испарение воды с земной поверхности затрачиваются большие количества тепла, а при конденсации водяного пара в атмосфере это тепло отдается воздуху. Облака, возникающие в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную радиацию на ее пути к земной поверхности.

Воздух, роль и значение воздуха:

Воздух – смесь газов главным образом из азота и кислорода – 98-99 % в сумме, а также аргона, углекислого газа, водорода, образующая земную атмосферу.

В России действует Федеральный закон от 04.05.1999 № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха», которым дано понятие атмосферного воздуха.

Атмосферный воздух – жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных.

Воздух окружает планету Земля, образуя атмосферу планеты. Он удерживается гравитацией Земли. Атмосфера Земли защищает жизнь на земле, создавая давление, позволяющее жидкой воде существовать на поверхности Земли, поглощая вредное ультрафиолетовое солнечное излучение, нагревая поверхность за счет удержания тепла (парниковый эффект) и уменьшая перепады температур между днем и ночью (суточное изменение температуры).

Воздух необходим для нормального существования на Земле живых организмов. Без воздуха невозможна жизнь человека. Для человека жизненно важной составной частью воздуха является кислород. Кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы).

Если без еды человек может продержаться несколько недель, без воды – несколько дней, то без воздуха – только несколько минут (1 минуту – обычный человек и 5 минут – тренированные ныряльщики).

Общая масса воздуха на Земле составляет 5,13․1015 т и оказывает на поверхность Земли давление, равное на уровне моря в среднем 1,0333 кг на 1 см3.

Плотность воздуха

Плотность воздуха непосредственно не измеряется: она вычисляется с помощью уравнения состояния газов. Применяя уравнение состояния газов к сухому воздуху, следует ввести числовое значение газовой постоянной для сухого воздуха Rd, равное 2,87*106, если ρ и р взяты в системе единиц CGS (давление в дин/см2 и плотность в г/см3).

Найдем теперь выражение для плотности влажного воздуха с температурой Т, давлением р и упругостью водяного пара е. Можно представлять влажный воздух как смесь сухого воздуха и водяного пара. Из общего давления воздуха р на долю сухого воздуха приходится давление р — e. Следовательно, для этой части смеси, для сухого воздуха, уравнение состояния напишется так:

ρd = (p-e)/RdT

Для водяного пара, находящегося в смеси, уравнение состояния напишётся

ρw = 0,623e/RdT

Уравнение состояния для влажного воздуха окончательно напишётся так:

ρ´ = (p/RdT)*(1-0,377e/p)

Это и будет выражение для плотности влажного воздуха. Не забудем, что Rd здесь — газовая постоянная для сухого воздуха.

Влажный воздух несколько менее плотен, чем сухой воздух при тех же значениях давления и температуры. Это объясняется тем, что водяной пар менее плотен, чем сухой воздух.

Плотность воздуха в каждом месте непрерывно меняется во времени. Кроме того, она сильно меняется с высотой, потому что с высотой меняются также атмосферное давление и температура воздуха. Давление с высотой всегда уменьшается, а вместе с ним убывает и плотность.

Температура с высотой по большей части понижается, по крайней мере в нижних 10-15 км атмосферы. Но падение температуры влечет за собой повышение плотности. В результате совместного влияния изменения давления и температуры плотность с высотой, как правило, понижается, но не так сильно, как давление.

Если бы плотность воздуха не менялась с высотой, а оставалась на всех уровнях такой же, как у земной поверхности, то высота атмосферы получилась бы около 8000 м. Указанная высота (8000 м) называется высотой однородной атмосферы. В действительности плотность воздуха с высотой убывает, и потому истинная высота атмосферы равняется многим тысячам километров.

Рассчитайте среднюю молярную массу и плотность по воздуху газовой смеси, содержащей 20 л азота и 80 л кислорода

Физические свойства воздуха:

Химический состав воздуха. из чего состоит воздух? компоненты воздуха:

То, что воздух является смесью газов, а не простым веществом, было впервые экспериментально доказано в  1754 году Джозефом Блэком.

Примечание:

* в пересчете на сухой воздух (без водяного пара).

** концентрация водяного пара значительно варьируется от примерно 0,0001 % по объему в самых холодных частях атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных воздушных массах (в пересчете на сухой воздух).

*** водяной пар составляет около 0,25% по массе от массы всей атмосферы.

Многие вещества природного происхождения также могут присутствовать в воздухе в локально и сезонно изменяющихся малых количествах в виде аэрозолей. К ним относятся пыль, состоящая из различных минеральных и органических веществ (например, серы и сернистых соединений: сероводорода, диоксида серы и пр.), пыльца и споры, морские брызги и вулканический пепел.

Кроме того, различные промышленные загрязнители (сера, хлор и их соединения, пр.) могут присутствовать в воздухе в виде газов или аэрозолей.

Состав воздуха может меняться в небольших пределах: в крупных городах содержание углекислого газа немного выше, чем в лесах; в высокогорье и на больших высотах концентрация кислорода немного ниже вследствие того, что молекулы кислорода тяжелее молекул азота, и поэтому концентрация кислорода с высотой уменьшается быстрее.

Азот – основной компонент воздуха (78,084 % по объему и 75,5 % по массе) и один из самых распространённых элементов на Земле.

Азот является химическим элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16-18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле – около 2,5 % (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода).

Как простое вещество представляет собой двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Химически весьма инертен.

Разделяя воздух на составные компоненты, получают промышленный азот. Более ¾ промышленного азота идёт на синтез аммиака, а остальная ¼ применяется в промышленности как инертная среда для множества технологических процессов. Жидкий азот используется как хладагент.

Кислород – второй по распространенности после азота компонент воздуха. В воздухе его содержится 20,9476 % по объему и 23,15 % по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют порядка 99% всего атмосферного воздуха.

С начала кембрийского периода (кембрия) – 540 миллионов лет назад – содержание кислорода в воздухе колебалось от 15 % до 30 % по объёму. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время.

В дальнейшем содержание кислорода в воздухе уменьшилось до современных объемов и стабилизировалось.

Кроме того, кислород – это также самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе более 1500 соединений различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода – 85,82 % (по массе).

Кислород – химически активный неметалл. Как простое вещество при нормальных условиях представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (химическая формула O2).

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. Он входит в состав белков, жиров, углеводов, аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле – около 65 %.

Биологическая роль кислорода заключается в том, что большинство живых организмов дышат кислородом. Молекулярный кислород используется живыми организмами для процессов синтеза энергии.

Переход кислорода из атмосферного воздуха в кровь и из крови в ткани зависит от разницы в его парциальном давлении, поэтому биологическое значение имеет парциальное давление кислорода, а не процентное содержание его в воздухе. На уровне моря парциальное давление кислорода равно 160 мм.

Кислород постоянно пополняется в атмосфере Земли путем его фотосинтеза растениями, цианобактериями и зелеными водорослями. По некоторым оценкам, зеленые водоросли и цианобактерии в морской среде обеспечивают около 70% свободного кислорода, вырабатываемого на Земле, а остальная часть производится наземными растениями и деревьями.

Аргон – третий по распространенности после азота и кислорода компонент воздуха. В воздухе его содержится 0,934 % по объему и 1,292 % по массе.

Простое вещество аргон – инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Химически инертен.

Аргон не играет никакой заметной биологической роли. Вместе с тем вдыхание аргона может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Углекислый газ (диоксид углерода, двуокись углерода) – бесцветный газ (в нормальных условиях), почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом – запахом газированной воды). Концентрация углекислого газа в атмосфере 0,0314 % по объему и 0,046 % по массе. Тяжелее воздуха приблизительно в 1,5 раза.

Углекислый газ легко пропускает излучение в ультрафиолетовой и видимой частях спектра, которое поступает на Землю от Солнца и обогревает её. В то же время он поглощает испускаемое Землёй инфракрасное излучение и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Углекислый газ образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма в клетках тканей живых организмов. Далее углекислый газ переносится от тканей по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Организм человека выделяет приблизительно 1 кг углекислого газа в сутки.

Углекислый газ участвует в процессах фотосинтеза. Поэтому с марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО2 в атмосфере падает, а с октября по февраль – повышается.

Углекислый газ нетоксичен. Но при вдыхании его повышенных концентраций в воздухе по воздействию на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам. По ГОСТу 8050-85 углекислота относится к 4-му классу опасности.