Герметичність

Щільність речовини визначається як її маса в одиниці об’єму.
Щільність повітря вказує, скільки маси (ваги) повітря в кг міститься в одному кубічному метрі (кг/м 3). Таким чином, щільність повітря є часткою маси та обсягу повітря. Дається в кілограмах на кубічний метр. Щільність повітря знаходиться під тиском 1013,25 гПа (середній тиск повітря на рівні моря) і температурі +15 ° C (= стандартна атмосфера) 1,225 кг/м3. Для порівняння, наприклад, CO2 має щільність 1,977 кг/м3.

В одному кубічному метрі повітря міститься немислима кількість молекул повітря. Це особливо актуально для стовпа повітря, який простягається від точки вимірювання на землі до зовнішнього кінця атмосфери. Маса і, таким чином, вага кожної окремої молекули повітря знову є немислимо малою, але сила тяжіння діє на кожну особу. Це надає повітрю ваги і з силою цієї ваги тисне на поверхню. Тобто тиск повітря. Отже, вага повітряного стовпа обумовлена вагою містяться в ньому молекул повітря.

Вся маса повітря вгорі лежить на одному кубічному метрі повітря на землі. У той же час повітря - це сильно стислива газова суміш. Іншими словами: цей кубічний метр повітря стискається більше за вагу повітряної маси над ним, ніж кубічний метр на більшій висоті, оскільки решта повітряного стовпа над цим повітряним пакетом коротша і, отже, має меншу вагу. Отже, повітря стискається сильніше через власну вагу нижче, ніж у вищих шарах. В результаті цього більшого стиснення один кубічний метр поблизу землі містить більше молекул повітря, ніж на більшій висоті. Повітря біля землі "щільніше".

Це показано на схемі справа.

На відміну від цього, рідка вода не стискається. Отже, густина води не залежить від висоти товщі води над нею. Тому тиск лінійно зменшується з висотою.

Отже, молекули повітря в нашому кубічному метрі щільно упаковані (стиснуті) на землі, і їх кількість відповідно велика. Отже, повітря дуже щільне. Щільність повітря висока на землі і зменшується зі збільшенням висоти.

Чим більше повітря над нашими кубічними метрами, тим вищий атмосферний тиск. Оскільки тиск повітря представляє вагу навантажувального повітряного стовпа, він повинен зменшуватися з висотою, оскільки чим вище ви рухаєтесь, тим менше у вас повітря над собою. Це також означає, що ця вага або тиск, який чинить повітряний стовп, змінюється залежно від точки вимірювання, особливо від його висоти. Таким чином, щільність повітря зменшується із збільшенням висоти відповідно до логарифмічної функції. Тому зменшення щільності набагато швидше відбувається в нижніх шарах повітря, ніж у верхніх шарах.

Як правило, для нижніх шарів атмосфери зміна щільності повітря на 1% вимагає зміни температури на землі 3 ° C або зміни тиску повітря 10 гПа.

У підсумку можна сказати:

Високий тиск повітря спричиняє високу щільність повітря;
низький тиск повітря призводить до низької щільності повітря;
На більших висотах тиск повітря нижчий, а отже і щільність повітря;
На менших висотах вищий тиск повітря і, отже, вища щільність повітря.

або іншими словами:

Тиск повітря і щільність повітря пропорційні один одному.

Сусідня діаграма показує це співвідношення.

Щільність повітря змінюється залежно від висоти. Як ми бачили, це стосується і тиску повітря. При постійній температурі тиск зменшується кожні 5,5 км приблизно до половини свого попереднього значення. На висоті 18 км тиск повітря становить лише десяту частину, на 55 км тисячну і на 110 км лише мільйонну частину суші.

Одночасно зменшується і щільність повітря. На висоті близько 12 км це чверть, на 18 км десята і приблизно на 30 км сота вартості землі. Оскільки повітря настільки стисливе, понад 50% загальної атмосфери знаходиться нижче приблизно 5,5 км. 99,9% загальної атмосферної маси знаходиться нижче стратопаузи.

Отже, половина повітряної маси нижче висоти близько 5500 м. 75% загальної маси атмосфери нижче 10500 м. Хоча різниця у висоті приблизно однакова, лише 1/4 частини знаходиться на цьому 2-му поверсі Загальна маса атмосфери і в наступній вона становить лише 1/8.

В екзосфері щільність стає надзвичайно низькою. Частинки газу, строго кажучи, лише найлегші гази - водень та гелій, тепер можуть виходити із земного гравітаційного поля завдяки своїй високій кінетичній енергії та низькій масі.

Щільність повітря залежить від температури та тиску повітря .
Як видно, щільність повітря зменшується з висотою. У стандартній атмосфері він знижується до рівня площі 500 гПа (приблизно 5500 м) до 0,688 кг на м.е., тобто щільність зменшується - коли тиск повітря зменшується вдвічі - пропорційно менше тиску. Причиною цього є зниження температури з висотою, що протидіє лінійному зменшенню щільності. Однак це відхилення невелике.

Крім того, щільність повітря також значною мірою залежить від температури повітря. Погляд на наступний зразок розрахунку показує це:

Наступну формулу можна використовувати для розрахунку щільності повітря, завдяки чому тиск повітря, температура та склад повітря включаються до формули, як очікувалося:

Ми приймаємо стандартну атмосферу. Відповідно до стандартної атмосфери, повітря не містить водяної пари, тому слід використовувати газову константу для сухого повітря.
Постійна газу для сухого повітря становить 287 Дж/(кг К).

приклад:

0 ° C, 1013 hPa => щільність повітря = 101300 Pa: (287 Дж/(кг K) 273,15 K) = 1,229 кг/mі
25 ° C, 1013 hPa => щільність повітря = 101300 Pa: (287 Дж/(кг K) 298,15 K) = 1,184 kg/mі

З цих двох дещо спрощених прикладів ви одразу бачите, що щільність повітря сильно залежить від температури.

При 20 ° C щільність повітря становить лише близько 1,2041 кг/м3, тому повітря менш щільне, тобто воно "легше". Однак при температурі 0 ° C щільність безпарового повітря становить 1,293 кг/м3, повітряний пакет "важчий". Стандартна атмосфера - це стандарт для порівняння.

Крім того, щільність повітря значно зменшується за рахунок збільшення частки водяної пари.
Чому це так, наведено нижче для слова "водяна пара".

Зокрема, щодо газів щільність залежить не тільки від тиску, але й від температури.
А саме молекули газу перебувають у постійному нерегульованому русі (броунівський молекулярний рух), що призводить до постійних зіткнень між собою та з навколишнім середовищем.
Кінетична енергія молекули виникає внаслідок її маси μ та середньої швидкості v і змінюється лише з температурою.

Якщо в даному обсязі повітря температуру підвищують, кінетична енергія молекул і, отже, їх сила удару зростає
=> Збільшення тиску та щільності.
Збільшення об’єму означає меншу кількість молекул на одиницю об’єму і, отже, зменшення кількості ударів за одиницю часу
=> Перепад тиску, щільності та температури.

Цю взаємну залежність можна добре побачити, використовуючи рівняння ідеального газу:

ρ (rho): щільність тіла в кг/мі
p: тиск повітря в гПа
R: питома газова константа, фіксований розмір
T: температура в ° K (Кельвін)

Ці співвідношення можна досить добре представити за допомогою моделі частинок.

Архімедівський принцип (плавучість)

Щоб краще зрозуміти цей принцип, давайте спочатку проведемо мислительний експеримент (ігноруючи вагу конверта повітряної кулі):

Беремо 3 однакові повітряні кулі і наповнюємо 1-ю теплим повітрям, 2-ю холодним повітрям і 3-ю звичайним навколишнім повітрям. Коли ми відпускаємо повітряні кулі, ми спостерігаємо, що повітряна куля, наповнена теплим повітрям, піднімається вгору, повітряна куля, заповнена холодним повітрям, опускається на землю і повітряна куля, наповнена звичайним повітрям, пливе в повітрі.

Чому повітряні кулі демонструють таку різну поведінку?

У наших аеростатах сила тяжіння та об’єм однакові у всіх 3 випадках, але щільність повітря різна, оскільки чим тепліше повітря, тим менша його щільність, як вже було пояснено вище. Або по-іншому: холодне повітря має вищу щільність, тепле повітря - меншу. Це показано на ілюстрації праворуч.

Для нашого мислительного експерименту це означає, що повітряна куля з холодним повітрям є найважчою, найпотужнішою із заповнених теплим повітрям, тоді як вага повітряної кулі, наповненої навколишнім повітрям, звичайно точно такий же, як і навколишнього повітря. Наслідки очевидні:

У більш загальних рисах це означає:

Тіла, щільність яких нижче щільності навколишнього середовища, зростають.
Тіла, щільність яких більша, ніж у навколишнього середовища, тонуть.
Якщо щільність тіла та навколишнього середовища однакові, тіло плаває.

Це відомо як Архімедівський принцип.

Всім відомо це із шматка дерева, який плаває на воді, на відміну від каменю, що тоне.

Вологе повітря, тобто повітря, що містить водяну пару, має лише близько 62,5% маси сухого повітря. Тому пакет з вологим повітрям розвиває плавучість у сухому навколишньому повітрі.

Якщо зараз дивитись на сходження повітряної кулі, то помічаєш, що чим вище вона піднімається, тим більшою стає. Загалом кажучи, це означає: посилка повітря, що піднімається, розширюється.

Причину цього ми вже знаємо: оскільки тиск повітря зменшується з висотою, аеростат потрапляє в зони з нижчим зовнішнім тиском, тобто розширюється через надлишковий тиск усередині нього. Ми також знаємо, що відбувається далі з повсякденного життя. Якщо ми дозволимо повітрю вийти з велосипедної або автомобільної шини, повітря, яке раніше було під надлишковим тиском в шині, стає досить холодним після виходу з клапана:

Коли повітря розширюється за межі шини, воно охолоджується.
Якщо стиснути повітря разом, наприклад B. у повітряному насосі при накачуванні шини повітря прогрівається.

Ми можемо резюмувати наш мислительний експеримент наступним чином:

Піднімається повітря потрапляє під нижчий зовнішній тиск, розширюється і охолоджується.
Повітря, що падає, потрапляє під вищий тиск навколишнього середовища, стискається і нагрівається.

Цей важливий для атмосфери процес відомий як адіабатична зміна температури. Термін "адіабатичний" означає, що зміни температури відбуваються без додавання або відведення тепла від повітряного пакета, що розглядається. Адіабатичне охолодження при підйомі протиставляється адіабатичному нагріванню повітря при спуску, тому процес є оборотним.

Якщо повітря в закритій аеростаті нагрівається, кінетична енергія молекул повітря збільшується, їм потрібно більше місця, щоб мати можливість переробляти цю енергію. Тиск у повітряній кулі збільшується, повітря і повітряна куля розширюються. Коли він охолоджується, повітря і, таким чином, аеростат стискається, оскільки молекули сповільнюються, вони займають менше місця, і тому тиск у балоні падає.

При постійному тиску щільність газів зменшується із збільшенням температури.
Якщо нагріте повітря оточене лише повітрям, воно витіснить навколишнє повітря. Як результат, кількість повітря у фіктивному "повітряному пакеті" зменшується, оскільки нагріте повітря може виходити з (відкритого) пакета.

Гарним прикладом цього є повітряна куля:

Якщо його нагріти, повітря всередині розширюється. Оскільки обсяг обмежений оболонкою, надлишок повітря виходить. Отже, повітря в аеростаті менш щільне і, отже, легше, ніж повітря поза аеростатом. Різниця в щільності між холодним зовнішнім повітрям і теплішим повітрям в аеростаті створює силу плавучості:

Повітряна куля піднімається.

Отже, у вільній атмосфері кожне підвищення температури призводить до зменшення щільності цього нагрітого повітря. Оскільки повітря є дуже поганим провідником тепла, енергія, що подається, не може виділятися в навколишнє середовище. Вона залишається в пастці у розігрітому "повітряному пакеті". Якби систему було закрито, тиск тепер збільшився б в результаті подачі енергії. Однак у вільній атмосфері посилка повітря може розширюватися, витісняючи тим самим навколишнє повітря і таким чином відпрацьовує поглинену енергію. Як результат, в одному кубічному метрі нашої посилки повітря зараз менше молекул повітря, повітря «тонше», тобто менш щільне і, отже, легше, ніж навколишнє повітря. Подібно плавальному кільцю у воді, наша повітряна посилка отримує плавучість, тобто вона піднімається, поки знову не втратить свою вищу енергію через збільшення обсягу. У якийсь момент пакет є таким теплим і таким щільним, як навколишнє повітря, так що підйом закінчується.

Цей процес називається термічним.

Детальніше про ці відносини та фізичний фон можна знайти в главі про адіабатику.

Метод повітряних пакетів пояснюється в главі про рівновагу.

Основні умови для створення плавучості та теплотехніки доповнюються цілком практичним фактором: водяною парою.
Основи вологості повітря та водяної пари можна знайти в главі про вологість.

Відповідно до закону ідеального газу, один кубічний метр повітря містить певну кількість молекул і кожна молекула має певну вагу. Повітря складається здебільшого з молекул азоту (N2) і меншою мірою з молекул кисню (O2) та інших молекул, таких як водяна пара, зокрема. Оскільки щільність повітря - це вага молекул повітря, поділена на об’єм, нам потрібно врахувати вагу кожної з молекул повітря. Азот має атомну масу 14, тому молекула N2 має вагу 28. Для кисню атомна маса дорівнює 16, так що молекула O2 має вагу 32. Тепер для молекули води H2O, яка, як показує формула, складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Водень (Н) має атомну масу 1, тому молекула H2O важить лише 18.

Слід зазначити, що молекула води має значно меншу вагу, ніж молекула азоту або молекули кисню. У той же час заданий об’єм повітря містить лише певну кількість молекул. Якщо він містить легші молекули води замість сухого повітря, він буде важити менше того ж об’єму без молекул води. Тож водяна пара легша за сухе повітря. Тому вологе повітря, тобто повітря з часткою водяної пари, легше сухого повітря. Цей факт сам по собі пояснюється: водяна пара створюється в атмосфері шляхом випаровування води з рослин, землі або з відкритої води. Якби вологе повітря було важче, ніж настільки ж тепле сухе повітря, йому довелося б залишатися на землі. Тоді насичення, стан, при якому повітря більше не може поглинати воду, буде досягнуто дуже швидко, і випаровування закінчиться. Але в природі це не так. Швидше, вологе повітря піднімається до верху навіть без різниці температур до навколишнього сухого повітря, хоча б лише через різницю у вазі, таким чином починаючи конвекцію.
Детальніше про це у главі "Вода".

Якщо додати водяну пару, щільність повітря зменшується, так що газова константа “R” у формулі закону ідеального газу набуває вищого значення. Слід зазначити, що значення газової константи справедливо лише для сухого повітря, тобто без урахування водяної пари, що завжди міститься у вільній атмосфері. Це відповідає специфікації стандартної атмосфери, для якої відома відносна вологість повітря 0%. Таким чином, показане рівняння газу представляє різні компоненти так званих змінних атмосферного стану - тут: тиск повітря, температура повітря та щільність повітря - в контексті; якщо відомі дві з цих величин, можна обчислити третю. Отже, щільність повітря сухого повітря залежить лише від тиску повітря і температури повітря. Постійна газу для сухого повітря, до речі, становить 287 Дж/(кг К).

Так вологе повітря менш щільне.

Приклад:
З формули підйому відомо, що підйом крила прямо пропорційний щільності повітря. Якщо певне крило може підняти 1500 кг на рівні моря і за стандартних умов, коли щільність становить 1225 кг/м 3, скільки може підняти крило в теплий літній день у Кемптені, коли температура повітря становить 35 ° C, тиск повітря становить 828 hPa і точка роси 19.4 ° C?
Відповідь - близько 1134 кг.

Отже, вологе повітря менш "несуче", тобто літак менш аеродинамічно ефективний у вологому повітрі, тому там менше підйому.

Вологість впливає не тільки на аеродинамічну поведінку літака, строго кажучи, вона також знижує продуктивність його двигуна. Однак у цьому відношенні вплив вологості повітря має лише другорядне значення порівняно з іншими змінами щільності повітря, і, отже, на практиці цим можна в основному знехтувати.