Херметичност

Плътността на дадено вещество се определя като неговата маса на единица обем.
Плътността на въздуха показва колко маса (тегло) въздух в kg се съдържа в един кубичен метър (kg/m 3). По този начин плътността на въздуха е коефициент на въздушната маса и обем. Дава се в килограми на кубичен метър. Плътността на въздуха е при налягане от 1013,25 hPa (средно въздушно налягане на морското равнище) и температура от +15 ° C (= стандартна атмосфера) 1,225 kg/m3. За сравнение напр. CO2 плътност 1.977 kg/mі.

Един кубичен метър въздух съдържа невъобразим брой въздушни молекули. Това важи особено за въздушна колона, която се простира от точката на измерване на земята до външния край на атмосферата. Масата и по този начин теглото на всяка отделна молекула въздух от своя страна е невъобразимо ниско, но гравитацията действа върху всеки индивид. Това придава на въздуха тежест и със силата на тази тежест натиска върху повърхността. Това е налягането на въздуха. Следователно теглото на въздушния стълб се дължи на теглото на съдържащите се в него въздушни молекули.

Цялото тегло на въздуха отгоре лежи върху един кубичен метър въздух на земята. В същото време въздухът е силно компресирана газова смес. С други думи: този кубичен метър въздух се компресира от теглото на въздушната маса над него повече от кубичен метър на по-висока височина, тъй като останалият въздушен стълб над този въздушен пакет е по-къс и следователно има по-малко тегло. Следователно въздухът е по-силно компресиран от собственото си тегло по-долу, отколкото в по-високите слоеве. В резултат на тази по-голяма компресия един кубичен метър близо до земята съдържа повече въздушни молекули, отколкото на по-голяма надморска височина. Въздухът близо до земята е „по-плътен“.

Това е показано на диаграмата вдясно.

За разлика от това, течната вода не може да се свие. Следователно плътността на водата не зависи от височината на водния стълб над нея. Следователно налягането намалява линейно с височината.

Следователно молекулите на въздуха в нашия кубичен метър са плътно натъпкани (компресирани) на земята и броят им е съответно висок. Така че въздухът е много плътен. Плътността на въздуха е висока на земята и намалява с увеличаване на височината.

Колкото повече въздух има над нашия кубичен метър, толкова по-високо е атмосферното налягане. Тъй като налягането на въздуха представлява теглото на натоварващия въздушен стълб, то трябва да намалява с надморската височина, тъй като колкото по-високо се изкачвате, толкова по-малко въздух имате над себе си. Това също означава, че това тегло или налягането, упражнявано от въздушната колона, варира в зависимост от съответната точка на измерване, особено нейната височина. По този начин плътността на въздуха намалява с увеличаване на височината според логаритмична функция. Следователно намаляването на плътността е много по-бързо в долните слоеве на въздуха, отколкото в по-високите слоеве.

Като основно правило за долните слоеве на атмосферата, промяната на плътността на въздуха от 1% изисква промяна на температурата на земята от 3 ° C или промяна на въздушното налягане от 10 hPa.

В обобщение може да се каже:

Високото въздушно налягане причинява висока плътност на въздуха;
ниското налягане на въздуха води до ниска плътност на въздуха;
на по-голяма надморска височина има по-ниско налягане на въздуха и по този начин по-ниска плътност на въздуха;
На по-ниски височини има по-високо въздушно налягане и по този начин по-висока плътност на въздуха.

или с други думи:

Въздушното налягане и плътността на въздуха са пропорционални един на друг.

Съседната диаграма показва тази връзка.

Плътността на въздуха се променя в зависимост от височината. Както видяхме, това се отнася и за въздушното налягане. При постоянна температура налягането намалява на всеки 5,5 км до около половината от предишната си стойност. На височина 18 км въздушното налягане е само една десета, на 55 км хилядна и на 110 км само милионна от стойността на сушата.

В същото време плътността на въздуха също намалява. На височина от около 12 км това е една четвърт, на 18 км десета и на около 30 км стотна от стойността на земята. Тъй като въздухът е толкова свиваем, повече от 50% от общата атмосфера е под около 5,5 км. 99,9% от общата атмосферна маса е под стратопаузата.

Следователно половината от въздушната маса е под надморска височина от около 5500 m. Вече 75% от общата маса на атмосферата е под 10 500 m. Въпреки че разликата във височината е приблизително еднаква, на този 2-ри етаж има само 1/4 от общата маса на атмосферата, а на следващия е само 1/8.

В екзосферата плътността става изключително ниска. Газовите частици, строго погледнато само най-леките газове водород и хелий, вече могат да избягат от земното гравитационно поле поради своята висока кинетична енергия и ниска маса.

Плътността на въздуха зависи от температурата и въздушното налягане .
Както се вижда, плътността на въздуха намалява с надморската височина. Намалява се в стандартната атмосфера до нивото на площ от 500 hPa (приблизително 5500 m) до 0,688 kg на mі, т.е. плътността намалява - когато налягането на въздуха е наполовина - пропорционално по-малко от налягането. Причината за това е намаляването на температурата с височина, което противодейства на линейно намаляване на плътността. Това отклонение обаче е малко.

Освен това плътността на въздуха също зависи в значителна степен от температурата на въздуха. Поглед към следното примерно изчисление показва това:

Следващата формула може да се използва за изчисляване на плътността на въздуха, като въздушното налягане, температурата и съставът на въздуха са включени във формулата, както се очаква:

Приемаме стандартната атмосфера. Според стандартната атмосфера въздухът не съдържа водни пари, така че трябва да се използва газовата константа за сух въздух.
Газовата константа за сух въздух е 287 J/(kg K).

пример:

0 ° C, 1013 hPa => плътност на въздуха = 101300 Pa: (287 J/(kg K) 273.15 K) = 1.292 kg/mі
25 ° C, 1013 hPa => плътност на въздуха = 101300 Pa: (287 J/(kg K) 298,15 K) = 1,184 kg/mі

От тези два леко опростени примера веднага можете да видите, че плътността на въздуха е силно зависима от температурата.

При 20 ° C плътността на въздуха е само около 1.2041 kg/m3, така че въздухът е по-малко плътен, т.е. той е "по-лек". При температура от 0 ° C обаче плътността на въздуха без водни пари е 1,293 kg/mі, въздушният пакет е "по-тежък". Стандартната атмосфера е стандарт за сравнение.

Освен това плътността на въздуха се намалява значително от нарастващия дял на водната пара.
Защо е така е дадено по-долу за думата "водна пара".

По-специално в случай на газове, плътността зависи не само от налягането, но и от температурата.
А именно молекулите на даден газ са в постоянно нерегулирано движение (броуновско молекулярно движение), което води до постоянни сблъсъци помежду си и с околната среда.
Кинетичната енергия на молекулата е резултат от нейната маса μ и средната й скорост v и се променя само с температурата.

Ако температурата в даден обем въздух се увеличи, кинетичната енергия на молекулите и по този начин тяхната сила на удара се увеличава
=> Налягането и плътността се увеличават.
Увеличаването на обема означава по-малко молекули на единица обем и по този начин намаляване на броя на въздействията за единица време
=> Налягане, плътност и спад на температурата.

Тази взаимна зависимост може да се види добре, като се използва уравнението на идеалния газ:

ρ (rho): плътност на тялото в kg/mі
p: налягане на въздуха в hPa
R: специфична газова константа, фиксиран размер
T: температура в ° K (Келвин)

Тези връзки могат да бъдат представени доста добре с помощта на модела на частиците.

Архимедов принцип (плаваемост)

За да разберем по-добре този принцип, нека първо извършим мисловен експеримент (пренебрегвайки теглото на плика на балона):

Вземаме 3 еднакви балона и пълним 1-ви с топъл въздух, 2-ри със студен въздух и 3-ти с нормален околен въздух. Когато пуснем балоните, наблюдаваме, че балонът, пълен с топъл въздух, се издига, балонът, пълен със студен въздух, потъва на земята и балонът, пълен с нормален въздух, плува във въздуха.

Защо балоните показват това различно поведение?

При нашите балони силата на гравитацията и обемът са еднакви и във всичките 3 случая, но плътността на въздуха е различна, тъй като колкото по-топъл е въздухът, толкова по-ниска е плътността му, както вече беше обяснено по-горе. Или казано по друг начин: по-студеният въздух има по-висока плътност, а топлият въздух по-ниска. Това е показано на илюстрацията вдясно.

За нашия мисловен експеримент това означава, че балонът със студения въздух е най-тежкият, този, пълен с топъл въздух, е най-лекият, докато теглото на балона, напълнено с околен въздух, съответства точно на това на околния въздух. Последствията са ясни:

По-общо казано, това означава:

Телата, чиято плътност е по-ниска от тази на околната среда, се повишават.
Телата, чиято плътност е по-голяма от тази на околната среда, потъват.
Ако плътността на тялото и околната среда са еднакви, тялото плува.

Това е известно като Архимедов принцип.

Всеки знае това от парче дърво, което плава по вода, за разлика от камък, който потъва.

Влажен въздух, т.е. Между другото, въздухът, който съдържа водна пара, има само около 62,5% от теглото на сухия въздух. Поради това пакетът с влажен въздух развива плаваемост в сухия околен въздух.

Ако сега човек погледне изкачването на балона, той забелязва, че колкото по-високо отива, толкова по-голямо става. Най-общо казано, това означава: разширяващата се въздушна пратка се разширява.

Вече знаем причината за това: Тъй като налягането на въздуха намалява с надморска височина, балонът попада в зони с по-ниско външно налягане, т.е. поради свръхналягането в него се разширява. Също така знаем какво се случва след това от ежедневието. Ако оставим въздуха да излезе от велосипед или автомобилна гума, въздухът, който преди е бил под свръхналягане в гумата, се чувства доста студен след напускане на клапана:

Когато въздухът се разширява извън гумата, той се охлажда.
Ако натиснете въздуха заедно, като Б. във въздушна помпа при надуване на гума въздухът се загрява.

Можем да обобщим нашия мисловен експеримент по следния начин:

Надигащият се въздух попада под по-ниско външно налягане, разширява се и се охлажда.
Потъващият въздух попада под по-високо околно налягане, компресира се и се затопля.

Този процес, който е важен за атмосферата, се нарича адиабатна промяна на температурата. Терминът "адиабатичен" означава, че температурните промени се извършват, без да се подава или отвежда топлина от разглеждания въздушен пакет. Адиабатното охлаждане при изкачване е противоположно на адиабатното нагряване на въздуха при спускане, така че процесът е обратим.

Ако въздухът в затворен балон се загрее, кинетичната енергия на въздушните молекули се увеличава, те се нуждаят от повече пространство, за да могат да обработят тази енергия. Налягането в балона се увеличава, въздухът и балонът се разширяват. Когато се охлади, въздухът и по този начин балонът ще се свие, тъй като молекулите се забавят, те заемат по-малко място и следователно налягането в балона пада.

При постоянно налягане плътността на газовете намалява с увеличаване на температурата.
Ако нагретият въздух е заобиколен само от въздух, той ще измести околния въздух. В резултат на това количеството въздух във фиктивен "въздушен пакет" намалява, тъй като нагретият въздух може да излезе от (отворения) пакет.

Хубав пример за това е балонът с горещ въздух:

Ако се нагрява, въздухът вътре се разширява. Тъй като обемът е ограничен от черупката, излишният въздух излиза. Следователно въздухът в балона е по-малко плътен и следователно по-лек от въздуха извън балона. Разликата в плътността между по-студения външен въздух и по-топлия въздух в балона създава сила на плаваемост:

Балонът се издига.

Следователно в свободната атмосфера всяко повишаване на температурата води до намаляване на плътността на този нагрят въздух. Тъй като въздухът е много лош проводник на топлина, доставената енергия не може да бъде освободена в околната среда. Тя остава в капан в затопления „въздушен пакет“. Ако системата беше затворена, сега налягането щеше да се увеличи в резултат на захранването с енергия. В свободната атмосфера обаче въздушният пакет може да се разшири, като по този начин измества околния въздух и по този начин обработва абсорбираната енергия. В резултат на това сега има по-малко молекули въздух в един кубичен метър от нашата въздушна пратка, въздухът е „по-тънък“, т.е. по-малко плътен и следователно по-лек от околния въздух. Подобно на плувен пръстен във вода, нашият въздушен пакет е плаващ, т.е. той се издига, докато отново загуби своята по-висока енергия в резултат на увеличаването на обема. В един момент пакетът е толкова топъл и плътен, колкото околния въздух, така че изкачването е приключило.

Този процес се нарича термичен.

Повече подробности за тези взаимоотношения и физическия фон можете да намерите в главата за адиабатиката.

Методът с въздушен пакет е обяснен в главата за равновесието.

Основните условия за създаване на плаваемост и термични свойства се допълват от много практичен фактор: водната пара.
Основите на влажността на въздуха и водните пари могат да бъдат намерени в главата за влажността на въздуха.

Според закона за идеалния газ, един кубичен метър въздух съдържа определен брой молекули и всяка молекула има определено тегло. Въздухът се състои в по-голямата си част от азотни молекули (N2) и в по-малка степен от кислородни молекули (O2) и други молекули, като водни пари в частност. Тъй като плътността на въздуха е теглото на въздушните молекули, разделено на обем, трябва да вземем предвид теглото на всяка от молекулите във въздуха. Азотът има атомно тегло 14, така че молекулата N2 има тегло 28. За кислорода атомното тегло е 16, така че молекулата на O2 има тегло 32. Сега за водната молекула, H2O, която, както показва формулата, се състои от два водородни и един кислородни атоми. Водородът (H) има атомно тегло 1, така че молекулата H2O тежи само 18.

Трябва да се отбележи, че водната молекула има значително по-ниско тегло от молекулата на азота или кислорода. В същото време даден обем въздух съдържа само определен брой молекули. Ако той съдържа по-леки водни молекули вместо сух въздух, той ще тежи по-малко от същия обем без водни молекули. Така че водната пара е по-лека от сухия въздух. Следователно влажен въздух, т.е. Въздух с пропорция на водна пара, по-лек от сухия въздух. Този факт се обяснява сам по себе си. Водната пара се създава в атмосферата чрез изпаряване на водата от растенията, земята или от откритата вода. Ако влажният въздух беше по-тежък от еднакво топъл сух въздух, той трябваше да остане на земята. Тогава насищането, състоянието, при което въздухът вече не може да абсорбира повече вода, ще бъде достигнато много бързо и изпарението ще приключи. Но в природата това не е така. По-скоро влажният въздух се издига нагоре дори без температурна разлика към околния сух въздух, макар и само поради разликата в теглото, и по този начин задвижва конвекцията.
Повече за това в глава "Вода".

Ако се добавят водни пари, плътността на въздуха се намалява, така че газовата константа „R“ във формулата за закона за идеалния газ приема по-висока стойност. Трябва да се отбележи, че стойността на газовата константа е валидна само за сух въздух, т.е. без да се вземат предвид водните пари, които винаги се съдържат в свободната атмосфера. Това съответства на спецификацията на стандартната атмосфера, за която е известна относителна влажност от 0%. Показаното уравнение за газ по този начин представлява различни компоненти на така наречените променливи на атмосферното състояние - тук: въздушно налягане, температура и плътност на въздуха - в контекст; ако са известни две от тези количества, може да се изчисли третото. Следователно плътността на въздуха на сухия въздух зависи само от въздушното налягане и температурата на въздуха. Между другото, газовата константа за сух въздух е 287 J/(kg K).

Така че влажният въздух е по-малко плътен.

Пример:
От формулата за повдигане е известно, че повдигането на крило е право пропорционално на плътността на въздуха. Ако определено крило на морското равнище и при стандартни условия, където плътността е 1 225 кг/м 3, може да вдигне 1500 кг, например, колко може да вдигне крилото през топлия летен ден в Кемптен, когато температурата на въздуха е 35 ° C, въздушното налягане е 828 hPa и точката на оросяване е 19.4 ° C?
Отговорът е около 1134 кг.

Следователно влажният въздух е по-малко "стабилен", т.е. Във влажен въздух самолетът е по-малко аеродинамично ефективен, така че има по-малко повдигане.

Влажността обаче влияе не само на аеродинамичното поведение на самолета, строго погледнато намалява и работата на двигателя. В това отношение обаче влиянието на влажността на въздуха е само от второстепенно значение в сравнение с други промени в плътността на въздуха и следователно може да бъде пренебрегнато до голяма степен на практика.