Херметичност

Густината на супстанцијата се дефинира како нејзина маса по единица волумен.
Густината на воздухот покажува колку маса (тежина) на воздухот се наоѓа во кг во еден кубен метар (кг/м 3). Густината на воздухот е така количник на воздушна маса и волумен. Дадено е во килограми на метар кубен. Густината на воздухот е под притисок од 1013,25 hPa (среден притисок на воздухот на ниво на морето) и температура од +15 ° C (= стандардна атмосфера) 1,225 kg/m3. За споредба, на пример, CO2 има густина од 1,977 kg/mі.

Еден кубен метар воздух содржи незамислив број на молекули на воздухот. Ова е особено точно за колона воздух што се протега од мерната точка на земјата до надворешниот крај на атмосферата. Масата, а со тоа и тежината на секоја одделна молекула на воздухот е повторно незамисливо мала, но гравитацијата делува на секоја индивидуа. Ова му дава тежина на воздухот и со силата на оваа тежина се притиска на површината. Тоа е воздушниот притисок. Тежината на воздушната колона се должи на тежината на молекулите на воздухот што ги содржи.

Целата тежина на воздухот над лежи на еден кубен метар воздух на земјата. Во исто време, воздухот е мешавина на гас со голема притисок. Со други зборови: овој кубен метар воздух е компресиран повеќе од тежината на воздушната маса над него отколку кубен метар на поголема висина, бидејќи преостанатата воздушна колона над овој воздушен пакет е пократка и затоа има помала тежина. Воздухот е последователно посилно компресиран од сопствената тежина подолу отколку во повисоките слоеви. Како резултат на оваа поголема компресија, еден кубен метар близу до земјата содржи повеќе молекули на воздухот отколку на поголема надморска височина. Воздухот во близина на земјата е „погуст“.

Ова е прикажано на дијаграмот десно.

Спротивно на тоа, течната вода не е компресивна. Густината на водата е независна од висината на колоната вода над неа. Притисокот се намалува линеарно со висината.

Молекулите на воздухот во нашиот кубен метар се цврсто спакувани (компресирани) на земја и нивниот број е соодветно висок. Значи, воздухот е многу густ. Густината на воздухот е голема на земјата и се намалува со зголемување на висината.

Колку повеќе воздух има над нашиот кубен метар, толку е поголем атмосферскиот притисок. Бидејќи воздушниот притисок ја претставува тежината на колоната за вчитување на воздухот, таа мора да се намали со надморската височина, затоа што колку повисоко одите, толку помалку воздух имате над вас. Ова исто така значи дека оваа тежина или притисокот што го врши воздушната колона варира со соодветната мерна точка, особено нејзината надморска височина. Густината на воздухот така се намалува со зголемување на висината според логаритамската функција. Намалувањето на густината е многу побрзо во долните слоеви на воздухот отколку во повисоките слоеви.

Како по правило за долните слоеви на атмосферата, за промена на густината на воздухот од 1% е потребна промена на температурата на тлото од 3 ° C или промена на притисокот на воздухот од 10 hPa.

Сумирано може да се каже:

Високиот притисок на воздухот предизвикува голема густина на воздухот;
низок притисок на воздухот резултира со мала густина на воздухот;
На поголема надморска височина има помал притисок на воздухот, а со тоа и помала густина на воздухот;
На помала надморска височина има поголем воздушен притисок, а со тоа и поголема густина на воздухот.

или со други зборови:

Притисокот на воздухот и густината на воздухот се пропорционални едни на други.

Соседниот дијаграм ја покажува оваа врска.

Густината на воздухот се менува во зависност од висината. Како што видовме, ова важи и за воздушниот притисок. При постојана температура, притисокот се намалува на секои 5,5 км до околу половина од претходната вредност. На надморска височина од 18 км, воздушниот притисок е само десетти, со 55 км илјадити и на 110 км само милионити дел од вредноста на земјиштето.

Во исто време, густината на воздухот исто така се намалува. На висина од околу 12 км тоа е четвртина, на 18 км десетина и на околу 30 км стоти од вредноста на земјиштето. Бидејќи воздухот е толку компресивен, повеќе од 50% од вкупната атмосфера е под приближно 5,5 км. 99,9% од вкупната атмосферска маса е под стратопаузата.

Половина од воздушната маса е под надморска височина од околу 5.500 м. 75% од вкупната маса на атмосферата е под 10.500 м. Иако разликата во висината е приближно иста, само 1/4 од се наоѓа на овој 2-ри кат Вкупна маса на атмосферата и во следната е само 1/8.

Во егзосферата густината станува исклучително мала. Гасните честички, строго кажано само најлесните гасови водород и хелиум, сега можат да избегаат од гравитационото поле на Земјата поради нивната висока кинетичка енергија и мала маса.

Густината на воздухот зависи од температурата и притисокот на воздухот .
Како што се гледа, густината на воздухот се намалува со надморска височина. Во стандардната атмосфера се намалува до нивото на површина од 500 hPa (приближно 5500 m) на 0,688 kg на mі, т.е. густината се намалува - кога воздушниот притисок е преполовен - во пропорција помала од притисокот. Причината за ова е намалувањето на температурата со висината, што се спротивставува на линеарното намалување на густината. Сепак, ова отстапување е мало.

Покрај тоа, густината на воздухот во голема мера зависи и од температурата на воздухот. Погледот на следната пресметка на примерокот го покажува ова:

Следната формула може да се користи за пресметување на густината на воздухот, при што воздушниот притисок, температурата и составот на воздухот се вклучени во формулата како што се очекуваше:

Претпоставуваме стандардна атмосфера. Според стандардната атмосфера, воздухот не содржи водена пареа, така што мора да се користи константата на гас за сув воздух.
Константа на гас за сув воздух е 287 J/(kg K).

пример:

0 ° C, 1013 hPa => густина на воздухот = 101300 Pa: (287 J/(kg K) 273,15 K) = 1,292 kg/mі
25 ° C, 1013 hPa => густина на воздухот = 101300 Pa: (287 J/(kg K) 298,15 K) = 1,184 kg/mі

Од овие два малку поедноставени примери, веднаш можете да видите дека густината на воздухот е силно зависна од температурата.

На 20 ° C густината на воздухот е само околу 1,2041 кг/м3, така што воздухот е помалку густ, т.е. е „полесен“. Меѓутоа, на температура од 0 ° C, густината на воздухот без водена пареа е 1,293 kg/mі, апаратот за воздух е „потежок“. Стандардната атмосфера е стандард за споредба.

Покрај тоа, густината на воздухот значително се намалува со зголемениот процент на водена пареа.
Зошто е тоа така, даден е подолу за зборот „водена пареа“.

Особено во случај на гасови, густината не зависи само од притисокот, туку и од температурата.
Молекулите на гасот се имено во постојано нерегулирано движење (Брауново молекуларно движење), што доведува до постојани судири едни со други и со околината.
Кинетичката енергија на молекулата произлегува од нејзината маса μ и нејзината просечна брзина v и се менува само со температурата.

Доколку се зголеми температурата во даден волумен на воздух, се зголемува кинетичката енергија на молекулите, а со тоа и нивната сила на удар
=> Притисок и зголемување на густината.
Зголемувањето на волуменот значи помалку молекули по единица волумен и со тоа намалување на бројот на влијанија по единица време
=> Пад на притисок, густина и температура.

Оваа меѓусебна зависност може добро да се согледа со користење на идеална равенка на гас:

ρ (rho): густина на тело во kg/mі
стр: притисок на воздухот во hPa
Р: специфична константа на гас, фиксна големина
Т: температура во ° K (Келвин)

Овие односи можат да бидат претставени доста добро со користење на моделот на честички.

Архимеден принцип (пловност)

За да го разбереме овој принцип подобро, ајде прво да направиме мисловен експеримент (игнорирајќи ја тежината на пликот со балон):

Земаме 3 идентични балони и го исполнуваме првиот со топол воздух, вториот со ладен воздух и третиот со нормален амбиентален воздух. Кога ги пуштаме балоните, забележуваме дека балонот исполнет со топол воздух се крева, балонот исполнет со ладен воздух тоне во земјата и балонот исполнет со нормален воздух лебди во воздухот.

Зошто балоните го покажуваат ова поинакво однесување?

Во нашите балони, силата на гравитацијата и волуменот се исти во сите 3 случаи, но густината на воздухот е различна затоа што колку е потопол воздухот, толку е помала неговата густина, како што веќе беше објаснето погоре. Или да кажам на друг начин: постудениот воздух има поголема густина, топлиот воздух е помал. Ова е прикажано на илустрацијата десно.

За нашиот мисловен експеримент, ова значи дека балонот со студен воздух е најтежок, оној исполнет со топол воздух е најлесен, додека тежината на балонот исполнет со амбиентниот воздух е, се разбира, иста иста со таа на амбиентниот воздух. Последиците се јасни:

Во поопшта смисла, ова значи:

Тела, чија густина е помала од онаа на околниот медиум, се зголемуваат.
Потонуваат тела, чија густина е поголема од онаа на околниот медиум.
Ако густината на телото и околниот медиум се исти, телото плови.

Ова е познато како Архимеден принцип.

Секој го знае тоа од парче дрво што плови на вода, за разлика од камен што тоне.

Влажниот воздух, т.е. воздухот што содржи водена пареа, има само околу 62,5% од тежината на сувиот воздух. Влажен пакет за воздух развива пловност во сувиот амбиентален воздух.

Ако некој сега погледне на искачувањето на балонот, ќе забележи дека што повеќе се крева, тоа станува поголемо. Општо земено, ова значи: зголемена воздушна парцела се шири.

Веќе ја знаеме причината за ова: Бидејќи воздушниот притисок се намалува со надморска височина, балонот доаѓа во области со помал надворешен притисок, т.е се шири поради преголемиот притисок во него. Ние исто така знаеме што се случува понатаму од секојдневниот живот. Ако оставиме воздухот да излезе од гума за велосипед или автомобил, воздухот што претходно беше под преголем притисок во гумата се чувствува прилично студен по напуштањето на вентилот:

Како што воздухот се шири надвор од гумата, тој се лади.
Ако притиснете воздух заедно, како на пр Б. во пумпа за воздух при надувување на гума, воздухот се загрева.

Нашиот мисловен експеримент можеме да го сумираме на следниов начин:

Зголемениот воздух доаѓа под помал надворешен притисок, се шири и лади.
Воздухот што паѓа доаѓа под поголем притисок на околината, е компресиран и се загрева.

Овој процес, кој е важен за атмосферата, е познат како адијабатска промена на температурата. Терминот „адијабатик“ имплицира дека температурните промени се случуваат без притоа да се додава или повлекува топлина од разгледуваниот пакет за воздух. Адијабатското ладење при искачување е спротивно на адијабатското загревање на воздухот кога се спушта, па процесот е реверзибилен.

Ако воздухот во затворен балон се загрее, кинетичката енергија на молекулите на воздухот се зголемува, им треба повеќе простор за да можат да ја обработуваат оваа енергија. Притисокот во балонот се зголемува, воздухот и балонот се шират. Кога ќе се олади, воздухот и така балонот ќе се собере бидејќи молекулите забавуваат, тие заземаат помалку простор и затоа притисокот во балонот паѓа.

При постојан притисок, густината на гасовите се намалува со зголемување на температурата.
Ако загреаниот воздух е опкружен само со воздух, тој ќе го измести околниот воздух. Како резултат, количината на воздух во измислен „воздушен пакет“ се намалува затоа што загреаниот воздух може да излезе од (отворен) пакет.

Убав пример за ова е балонот со топол воздух:

Ако е загреан, воздухот внатре се шири. Бидејќи волуменот е ограничен со школка, вишокот воздух излегува. Воздухот во балонот е помалку густ и затоа е полесен од воздухот надвор од балонот. Разликата во густината помеѓу постудениот надворешен воздух и потоплиот воздух во балонот создава сила на пловност:

Балонот се крева.

Во слободната атмосфера, секое зголемување на температурата доведува до намалување на густината на овој загреан воздух. Бидејќи воздухот е многу лош спроводник на топлина, испорачаната енергија не може да се испушти во околината. Таа останува заробена во загреаниот „воздушен пакет“. Ако системот беше затворен, притисокот сега ќе се зголеми како резултат на снабдувањето со енергија. Меѓутоа, во слободната атмосфера, воздушната парцела може да се прошири, со што ќе се помести амбиенталниот воздух и со тоа се обработи апсорбираната енергија. Како резултат, сега има помалку молекули на воздухот во еден кубен метар од нашиот воздушен пакет, воздухот е „потенок“, т.е помалку густ и затоа е полесен од околниот воздух. Како прстен за пливање во вода, нашата воздушна парцела добива пловност, т.е. се крева додека не ја изгуби својата поголема енергија повторно поради зголемувањето на волуменот. Во одреден момент пакетот е топол и густ како околниот воздух, така што искачувањето е завршено.

Овој процес се нарекува термички.

Повеќе детали за овие односи и физичката позадина може да се најдат во поглавјето за адијабатика.

Методот на воздушен пакет е објаснет во поглавјето за рамнотежа.

Основните услови за создавање пловност и термички термички се надополнети со многу практичен фактор: водената пареа.
Основи на влажност на воздухот и водена пареа може да се најдат во поглавјето за влажноста на воздухот.

Според идеалниот закон за гас, еден кубен метар воздух содржи одреден број молекули и секоја молекула има одредена тежина. Воздухот се состои во најголем дел од молекулите на азот (N2) и во помала мера од молекули на кислород (О2) и други молекули, како што се водена пареа, особено. Бидејќи густината на воздухот е тежина на молекулите на воздухот поделена по волумен, треба да ја разгледаме тежината на секоја од молекулите во воздухот. Азотот има атомска тежина од 14, па затоа молекулата на N2 има тежина од 28. За кислород, атомската тежина е 16, така што молекулата на О2 има тежина од 32. Сега за молекулата на водата, H2O, кој, како што покажува формулата, се состои од два атоми на водород и еден кислород. Водородот (H) има атомска тежина од 1, па затоа молекулата на H2O тежи само 18.

Треба да се напомене дека молекулата на водата има значително помала тежина од молекулата на азот или молекулата на кислород. Во исто време, даден волумен на воздух содржи само одреден број на молекули. Ако содржи полесни молекули на вода наместо сув воздух, тоа ќе тежи помалку од истиот волумен без молекули на вода. Значи, водената пареа е полесна од сувиот воздух. Затоа, влажниот воздух, т.е. воздухот со пропорција на водена пареа, е полесен од сувиот. Овој факт е самообјаснувачки.Водата на пареата се создава во атмосферата преку испарување на водата од растенијата, земјата или од отворени водни површини. Ако влажниот воздух беше потежок од исто топол, сув воздух, тој ќе мораше да остане на земја. Потоа, сатурацијата, состојбата во која воздухот повеќе не може да апсорбира повеќе вода, ќе се постигне многу брзо и испарувањето ќе заврши. Но, тоа не е случај во природата. Наместо тоа, влажниот воздух се крева на врвот дури и без температурна разлика во околниот сув воздух, само само поради разликата во тежината, со што започнува конвекцијата.
Повеќе за ова во поглавјето „Вода“.

Ако се додаде водена пареа, густината на воздухот се намалува така што константата на гасот „R“ во формулата за идеален закон за гас претпоставува поголема вредност. Треба да се напомене дека вредноста на гасната константа се однесува само на сув воздух, т.е. без да се земе предвид водената пареа која секогаш е содржана во слободната атмосфера. Ова одговара на спецификацијата на стандардната атмосфера, за која, како што е познато, се применува релативна влажност од 0%. Прикажаната равенка на гас претставува различни компоненти на таканаречените променливи на атмосферската состојба - тука: притисок на воздухот, температура на воздухот и густина на воздухот - во контекст; ако се познати две од овие величини, третата може да се пресмета. Густината на воздухот на сувиот воздух зависи само од притисокот на воздухот и температурата на воздухот. Константа на гас за сув воздух е, патем, 287 J/(kg K).

Значи, влажниот воздух е помалку густ.

Пример:
Од формулата за подигнување е познато дека подигнувањето на крилото е директно пропорционално на густината на воздухот. Ако одредено крило може да подигне 1.500 кг на ниво на море и под стандардни услови кога густината е 1.225 кг/м 3, колку може крилото да се подигне на топол летен ден во Кемптен кога температурата на воздухот е 35 ° C, притисокот на воздухот е 828 hPa и точката на роса е 19,4 ° C?
Одговорот е околу 1.134 кг.

Влажниот воздух е помалку „носен“, т.е. авионот е аеродинамички помалку ефикасен во влажен воздух, така што има помалку лифт.

Влажноста не само што влијае на аеродинамичкото однесување на леталото, строго кажано, исто така ги намалува и неговите перформанси на моторот. Во овој поглед, влијанието на влажноста на воздухот е само од секундарно значење во споредба со другите промени во густината на воздухот и затоа може во пракса да се занемари.