Способ определения веса воздуха

Шотландский физик Роберт Уотсон-Уотт однажды был остановлен полицейским за превышение скорости, после чего сказал: «Если бы я знал, что вы будете с ним делать, то никогда не изобрел бы радар!».

—>СТАТИСТИКА —>

—>МЫ ВКОНТАКТЕ —>

—>НЕМНОГО РЕКЛАМЫ —>

Наши спонсоры

То, что жидкость имеет вес, никого не удивляет. Каждый из вас ощущал вес, держа в руке ведро воды, бутылку масла или напитка. Однако мы не чувствуем изменения веса футбольного мяча при его накачивании воздухом. Почему?

Описание:

Плотность воздуха почти в 800 раз меньше плотности воды.

Расчеты показывают, что, например, в сильно накачанном мяче вес воздуха находится в пределах 0,1 Н, а его масса около 10 г. Ощутить увеличение веса на 10 г в мяче сложно, поэтому нам кажется, что воздух невесом.

Однако при дыхании человек за сутки пропускает 20—30 кг воздуха, что не так уж мало. А если рассчитать сколько воздуха содержится в обычном классе, то окажется не такое уж маленькое значение. При температуре 20˚С в стандартном кабинете физики шириной 8 метров, длиной 10 метров и высотой 3 метра находится 220 килограмм воздуха.

В нашем опыте доказывается наличие у воздуха массы, а следовательно, веса. Мы уравновесили на весах стеклянный сосуд, заполненный воздухом. Затем откачали насосом воздух и взвесили повторно сосуд. Он стал легче. Добавляя на чашку с сосудом разновес, можно узнать массу откачанного воздуха и его вес.

Источник

Атмосферное давление и вес воздуха. Формула, расчеты, эксперименты

Из самого понятия «атмосферное давление» следует, что воздух должен иметь вес, иначе он не мог бы ни на что давить. Но мы этого не замечаем, нам кажется, что воздух невесом. Прежде чем говорить об атмосферном давлении, нужно доказать, что у воздуха есть вес, нужно его как-то взвесить. Как это сделать? Вес воздуха и атмосферное давление мы подробно рассмотрим в статье, изучая их при помощи экспериментов.

Мы будем взвешивать воздух, находящийся в стеклянном сосуде. Он поступает в емкость через резиновую трубку в горлышке. Кран закрывает шланг так, что в него не поступает воздух. Удаляем воздух из сосуда с помощью вакуумного насоса. Интересно, что по мере откачивания звук насоса меняется. Чем меньший объем воздуха остается в колбе, тем тише работает насос. Чем дольше мы откачиваем воздух, тем более низким становится давление в сосуде.

Вам будет интересно: Подчинительные и сочинительные союзы: список

Когда весь воздух удален, закрываем кран, пережимаем шланг, чтобы перекрыть доступ воздуха. Взвесим колбу без воздуха, потом откроем кран. Воздух зайдет внутрь с характерным свистом, и его вес добавится к весу колбы.

Сначала поместим пустой сосуд с закрытым краном на весы. Внутри емкости — вакуум, взвесим ее. Откроем кран, воздух зайдет внутрь, и снова взвесим содержимое колбы. Разница веса наполненной и пустой колбы и будет являться массой воздуха. Все просто.

Вес воздуха и атмосферное давление

Теперь перейдем к решению следующей задачи. Чтобы вычислить плотность воздуха, нужно его массу разделить на объем. Объем колбы известен, потому что он указан на ее стенке. ρ=mвозд /V. Надо сказать, что для получения так называемого высокого вакуума, то есть полного отсутствия воздуха в сосуде, нужно достаточно много времени. Если колба объемом 1,2 л, это примерно полчаса.

Мы выяснили, что воздух обладает массой. Земля его притягивает, а поэтому на него действует сила тяжести. Воздух давит на землю с силой, равной весу воздуха. Атмосферное давление, следовательно, существует. Оно проявляет себя в различных экспериментах. Проведем один из таких.

Эксперимент со шприцами

Возьмем пустой шприц, к которому присоединена гибкая трубка. Опустим поршень шприца и погрузим шланг в емкость с водой. Потянем поршень вверх, и вода начнет подниматься по трубке, наполняя шприц. Почему же вода, которую сила тяжести тянет вниз, все-таки поднимается за поршнем вверх?

В сосуде на нее сверху вниз действует атмосферное давление. Обозначим его Pатм. По закону Паскаля давление, которое производит атмосфера на поверхность жидкости, передается без изменений. Оно распространяется во все точки, значит внутри трубки тоже атмосферное давление, а в шприце над слоем воды находится вакуум (безвоздушное пространство), т. е. Р=0. Вот и получается, что снизу на воду давит атмосферное давление, а над поршнем давления нет, потому что там пустота. Из-за разности давлений вода заходит в шприц.

Опыт со ртутью

Вес воздуха и атмосферное давление — насколько они велики? Может, это что-то, чем можно пренебречь? Ведь один кубический метр железа имеет массу 7600 кг, а один кубический метр воздуха — всего 1,3 кг. Чтобы разобраться, видоизменим только что проведенный эксперимент. Вместо шприца возьмем бутылку, закрытую пробкой с трубкой. Присоединим трубку к насосу и начнем откачивать воздух.

В отличие от предыдущего опыта, мы создаем вакуум не под поршнем, а во всем объеме бутылки. Выключим насос и одновременно опустим трубку бутылки в емкость с водой. Мы увидим, как вода буквально за несколько секунд с характерным звуком заполнила через трубку бутылку. Высокая скорость, с которой она «врывалась» в бутылку, говорит о том, что атмосферное давление — это довольно большая величина. Опыт это доказывает.

Впервые измерил атмосферное давление, вес воздуха итальянский ученый Торричелли. Он провел такой опыт. Взял стеклянную трубку длиной чуть больше 1 м, запаянную с одного конца. Заполнил ее ртутью до краев. После этого он взял сосуд со ртутью, зажал пальцем его открытый конец, перевернул трубку и погрузил ее в емкость. Если бы атмосферного давления не было, то ртуть бы вся вылилась, но этого не произошло. Она вылилась частично, уровень ртути установился на высоте 760 мм.

Так случилось, потому что атмосфера давила на ртуть в емкости. Именно по этой причине у нас в предыдущих опытах вода загонялась в трубку, именно поэтому за шприцем шла вода. Но в этих двух экспериментах мы брали воду, плотность которой невелика. Ртуть имеет большую плотность, поэтому атмосферное давление смогло поднять ртуть, но не до самого верха, а только на 760 мм.

По закону Паскаля, давление, производимое на ртуть, передается во все ее точки в неизменном виде. Значит, внутри трубки тоже атмосферное давление. Но с другой стороны, это давление уравновешивается давлением столба жидкости. Обозначим высоту ртутного столба h. Мы можем сказать, что снизу вверх на ртуть действует атмосферное давление, а сверху вниз действует гидростатическое давление. В оставшихся незаполненными 240 мм находится вакуум. Кстати, этот вакуум еще называют торричеллиева пустота.

Формула и расчеты

Атмосферное давление Pатм равно гидростатическому и вычисляется по формуле ρрт*g*h . ρрт=13600 кг/м3. g=9,8 Н/кг. h=0,76 м. Pатм=101,3 КПа. Это довольно большая величина. Лист бумаги, лежащий на столе, производит давление в 1 Па, а атмосферное давление — 100 тыс. паскалей. Получается, что нужно положить один на другой 100 тыс. листов бумаги, чтобы они производили такое давление. Любопытно, не правда ли? Атмосферное давление и вес воздуха весьма большие, поэтому с такой силой заталкивали воду внутрь бутылки в ходе опыта.

Источник

Сколько весит воздух? Вес куба, литра воздуха

Что такое воздух

Прежде чем отвечать на вопрос о том, сколько весит воздух, необходимо разобраться с тем, что представляет собой эта субстанция. Воздух — это газовая оболочка, которая существует вокруг нашей планеты, и которая представляет гомогенную смесь различных газов. В состав воздуха входят следующие газы:

азот (78,08%);
кислород (20,94%);
аргон (0,93%);
водяной пар (0,40%);
углекислый газ (0,035%).

Помимо перечисленных выше газов, в воздухе также присутствуют в минимальных количествах неон (0,0018%), гелий (0,0005%), метан (0,00017%), криптон (0,00014%), водород (0,00005%), аммиак (0,0003%).

Интересно отметить, что разделить эти компоненты можно, если конденсировать воздух, то есть превратить его в жидкое состояние путем увеличения давления и уменьшения температуры. Поскольку каждый компонент воздуха обладает своей температурой конденсации, то таким способом удается выделить все компоненты из воздуха, что используется на практике.

Вес воздуха и факторы, которые на него влияют

Что мешает ответить точно на вопрос, сколько весит кубометр воздуха? Конечно же, ряд факторов, которые могут сильно влиять на этот вес.

Во-первых, это химический состав. Выше приведены данные для состава чистого воздуха, однако, в настоящее время этот воздух во многих местах планеты сильно загрязнен, соответственно, его состав будет другим. Так, вблизи больших городов в воздухе содержится больше углекислого газа, аммиака, метана, чем в воздухе сельской местности.

Во-вторых, влажность, то есть количество водяного пара, которое содержится в атмосфере. Чем более влажный воздух, тем меньше он весит при прочих равных условиях.

В-третьих, температура. Это один из важных факторов, чем меньше ее значение, тем выше плотность воздуха, и, соответственно, тем больше его вес.

В четвертых, атмосферное давление, которое непосредственно отражает количество молекул воздуха в определенном объеме, то есть его вес.

Чтобы понять, как совокупность этих факторов влияет на вес воздуха, приведем простой пример: масса одного метра кубического сухого воздуха при температуре 25°C, находящегося вблизи поверхности земли, составляет 1,205 кг, если же рассматривать аналогичный объем воздуха вблизи поверхности моря при температуре 0°C, то его масса уже будет равна 1,293 кг, то есть увеличится на 7,3%.

Изменение плотности воздуха с высотой

С увеличением высоты падает давление воздуха, соответственно, уменьшается его плотность и вес. Атмосферный воздух при давлениях, которые наблюдаются на Земле, можно в первом приближении считать идеальным газом. Это означает, что давление и плотность воздуха математически связываются друг с другом через уравнение состояния идеального газа: P = ρ*R*T/M, где P — давление, ρ — плотность, T — температура в кельвинах, M — молярная масса воздуха, R — универсальная газовая постоянная.

Из приведенной выше формулы можно получить формулу зависимости плотности воздуха от высоты, если учесть, что давление изменяется по закону P = P₀+ρ*g*h, где P₀ — давление у поверхности земли, g — ускорение свободного падения, h — высота. Подставляя эту формулу для давления в предыдущее выражение, и выражая плотность, получаем: ρ(h) = P₀*M/(R*T(h)+g(h)*M*h). С помощью этого выражения можно определить плотность воздуха на любой высоте. Соответственно вес воздуха (правильнее говорить масса) определяется по формуле m(h) = ρ(h)*V, где V — заданный объем.

В выражении зависимости плотности от высоты можно заметить, что от высоты также зависят температура и ускорение свободного падения. Последней зависимостью можно пренебречь, если речь идет о высотах не более 1-2 км. Что касается температуры, то ее зависимость от высоты хорошо описывается следующим эмпирическим выражением: T(h) = T₀-0,65*h, где T₀ — температура воздуха вблизи поверхности земли.

Чтобы не вычислять постоянно плотность для каждой высоты, ниже приведем таблицу зависимости главных характеристик воздуха от высоты (до 10 км).

Какой воздух является самым тяжелым

Рассмотрев основные факторы, которые определяют ответ на вопрос о том, сколько весит воздух, можно понять, какой воздух будет самым тяжелым. Говоря кратко, холодный воздух весит всегда больше, чем теплый, поскольку плотность последнего ниже, и сухой воздух весит больше, чем влажный. Последнее утверждение легко понять, поскольку молярная масса воздуха составляет 29 г/моль, а молярная масса молекулы воды равна 18 г/моль, то есть меньше в 1,6 раза.

Определение веса воздуха при заданных условиях

Теперь решим конкретную задачу. Ответим на вопрос о том, сколько весит воздух, занимающий объем 150 л, при температуре 288 К. Учтем, что 1 литр составляет тысячную часть от кубического метра, то есть 1 л = 0,001 м3. Что касается температуры 288 К, то она соответствует 15°C, то есть является типичной для многих районов нашей планеты. Далее нужно определить плотность воздуха. Сделать это можно двумя способами:

Рассчитать по приведенной выше формуле для высоты 0 метров над уровнем моря. В этом случае получается значение ρ = 1,227 кг/м3
Посмотреть в приведенную выше таблицу, которая построена, исходя из T₀ = 288,15 К. В таблице стоит значение ρ = 1,225 кг/м3.

Таким образом, получилось два числа, которые хорошо согласуются друг с другом. Небольшое различие связано с погрешностью 0,15 К при определении температуры, а также с тем, что воздух является все же не идеальным, а реальным газом. Поэтому для дальнейших расчетов возьмем среднее из двух полученных значений, то есть ρ = 1,226 кг/м3.

Теперь, пользуясь формулой связи массы, плотности и объема, получаем: m = ρ*V = 1,226 кг/м3 * 0,150 м3 = 0,1839 кг или 183,9 грамма.

Также можно ответить, сколько весит литр воздуха при заданных условиях: m = 1,226 кг/м3 * 0,001 м3 = 0,001226 кг или приблизительно 1,2 грамма.

Почему мы не чувствуем, что воздух давит на нас

Сколько весит 1 м3 воздуха? Чуть больше 1 килограмма. Весь же атмосферный стол нашей планеты давит на человека своим весом в 200 кг! Это достаточно большая масса воздуха, которая могла бы доставить много неприятностей человеку. Почему же мы ее не чувствуем? Это объясняется двумя причинами: во-первых, внутри самого человека имеется также внутреннее давление, которое оказывает противодействие внешнему атмосферному давлению, во-вторых, воздух, будучи газом, оказывает давление во всех направлениях одинаково, то есть давления во всех направлениях уравновешивают друг друга.

Источник