Что вы знаете о свойствах воздуха. Что такое воздух: естествознание для взрослых. Значение воздуха на земле
Прежде, чем приступить к рассмотрению такой темы как свойства воздуха давайте сначала поговорим о том, что же такое воздух.
Итак, под понятием воздух принято понимать смесь различных газов, которые растворяются в воздухе. Если говорить о воздухе и его составе стоит напомнить, что в состав воздуха входит азот, и его процентная доля составляет 78% от всего объема, кислород в свою очередь имеет всего 21% объема, прочие инертные газы, которых еще называют благородными занимают примерно 1% от всего объема. Остальной объем разделяют между собой оксид углерода IV валентности, примеси и пары воды.
Из школьного курса химии мы знаем, что в зависимости от местности и климата процентное содержание различных примесей, воды и вышеупомянутого оксида углерода может варьироваться.
Как же образуется диоксид углерода?
В природе такое соединение возникает при горении разных предметов и материалов, гниении и разложении, а также при дыхании всех живых организмов. Однако стоит уточнить, что наибольшее количество CO2 появляется в атмосферном пространстве именно благодаря жизнедеятельности человека.
Однако, после всех исследований, которые проводились по изучению воздуха, было доказано, что даже несмотря на активную жизнедеятельность человека все равно диоксид углерода находится в пределах нормы и в большинстве случаев не превышает предел в 0,03% от общего объема.
Если же говорить о содержании водных паров в воздушном пространстве, то количество может быть совершенно различной. Ученые установили, что процентное содержание паров воды может быть от сотых процента так и доходить до нескольких полноценных процентов. Данное содержание напрямую зависит от погодных условий и температуры.
Для того, чтобы точно определить в Вашем помещении можно обратиться в частную исследовательскую лабораторию "ЭкоТестЭкспресс", где в кратчайшие сроки специалист возьмет пробы воздуха на экспертизу, а опытные химики исследуют взятый материал на разнообразные тесты.
Химические свойства воздуха
Понять химические свойства воздуха довольно просто, для этого достаточно просто понимать свойства кислорода.
Как уже было сказано ранее в воздухе находится примерно 21% кислорода от общего объема. Сам по себе кислород имеет так называемые окислительные свойства, которые позволяют разгораться, сгорать или окисляться множеству различных материалов и веществ. Поскольку на бумаге практически невозможно воссоздать химические свойства воздуха все уравнения сгорания записывают именно на счет кислорода т.к. это главный окислитель в воздухе.
Физические свойства воздуха
Ключевые физические свойства являются одинаковыми для всех, а именно в физических свойствах мы описываем температуру, плотность, удельную теплоемкость, динамическую вязкость, кинетическую вязкость и многое другое. Но какие свойства воздуха нам интересны?
Для того, чтобы описать воздух и его свойства с физической точки зрения нам интересны именно температурные значения. Другими словами нам интересна только температура воздуха, ведь основная характеристика физических свойств воздуха строится именно на температуре.
Ученые выяснили, что при изменении температуры физические свойства воздуха изменяются с определенной зависимостью. После того, как это было проверено были описаны физические свойства воздуха таблица, в которой отображают все необходимые значения тех или иных параметров. Все эти параметры создают максимально полную характеристику физических свойств. Стоит также отметить, что в этих таблицах прописаны значения для каждого градуса воздуха.
Конечно, нас интересует и относительная влажность воздуха, но что это такое? Итак, при описании такого понятия как основные свойства воздуха с физической стороны под относительной влажностью воздуха обычно понимают отношение водяных паров к их максимальному количеству возможного содержания при определенной температуре и давлении. Все это высчитывается в единицу воздуха. После того, как было произведено сотни опытов было установлено, что чем выше давление и меньше температура относительная влажность воздуха возрастает. Если Вы хотите провести исследование воздуха на можно обратиться в нашу лабораторию.
Также стоит уделить внимание и такому понятию как вязкость воздуха. Также как и относительная влажность воздуха, вязкость воздуха также зависит от температуры, только в данном случае с увеличением температуры возрастает и вязкость. Это касается и кинетической и динамической вязкости.
Какая связь между кинетической и динамической вязкостью? Из школьных курсов мы можем вспомнить, что между этими двумя понятиями осуществляется через плотность, а точнее величину плотности воздуха.
Для того, чтобы провести несколько исследований воздуха, включая исследование химического состава воздуха, микробиологический анализ воздуха и прочее не нужно искать несколько лабораторий, тратить огромное количество времени и сил для того чтобы произвести анализ. Наша независимая исследовательская лаборатория "ЭкоТестЭкспресс" осуществляет несколько видов анализа воздуха, также множество других исследований, включая , тем самым давая возможность выбрать необходимое и заказать те услуги, которые Вам нужны. Специалисты выезжают по всей территории Москвы и Московской области для того, чтобы качественно взять пробы воздуха и провести исследования.
История открытия таких понятий как воздух и его свойства
Мы говорим о воздухе, но не задумывались о том, как же исследовали и открывали воздух. Но давайте начнем с самого начала.
В древних народах, включая Грецию и Рим воздух считали чем-то личностным и персональным веществом. Философ древней Греции Анаксимен в своих учениях писал, что воздух служит основателем всего существующего. В дальнейшем он не остановился на познании воздуха и одним из первых начал говорить (а в дальнейшем и рассматривать) воздух как один из главных элементов природы.
Конечно, Анаксимен не подозревал о том, что воздух имеет массу и только Аристотель смог сказать о том, что воздух имеет массу.
После, конечно, многие ученые стремились понять свойства воздуха, но большинство попыток были тщетны. Единственным, кто смог сформулировать первые научные теории стал александрийский ученый Герон, который жил в 140-х годах до нашей эры. В своих учениях он высказывал следующее мнение: “Сосуды, которые кажутся большему количеству людей пустыми, на самом деле они не пусты, а наполнены воздухом... Воздух образован частицами маленькими и лёгкими, в своём большинстве невидимыми... Отсюда должно быть принято, что воздух материален. Приведённый в движение, он становится ветром (так как ветер есть не что иное, как воздух в движении)”.
Состав воздуха пытались узнать многие, но первым, кому действительно показать насколько сложен состав воздуха были именно древние китайские ученые. Китайские химики указывали в своих сочинениях множество фактов, но основательности они не имели. Из европейских мыслителей свои мысли по поводу состава воздуха сказал Леонардо до Винчи, который жил в конце пятнадцатого века. Однако, опытным и экспериментальным путем, а также стал известным химический состав воздуха многим примерно в восемнадцатом веке.
Закажите бесплатно консультацию эколога
Вес воздуха
Как мы все знаем воздух имеет хоть и незначительный, но вес. К примеру, научно доказали, что даже в совершенно пустой бутылке будет воздух, вес которого составляет больше одного грамма. Как говорят ученые: своим весом воздух давит на нас, а также на все окружающие нас предметы.
Были произведены различные опыты, которые показали, что воздух даже в пустой таре необходим. Яркий пример: что будет, если выкачать воздух из обычной консервной банки. Как мы знаем без воздуха железная тара просто сплющится.
В повседневной жизни вес воздуха нам знать не обязательно, достаточно просто понимать, как именно он помогает нам в жизни. Для того, чтобы произвести замеры воздуха на достаточно обратиться в нашу компанию "ЭкоТестЭкспресс", ведь наша лаборатория, с новейшим оборудованием поможет Вам в исследовании воздуха.
Если Вам интересны такие запросы как свойства воздуха 3 класс, свойства воздуха 2 класс, а также более информативные вопросы как свойства воздуха доклад или основные свойства воздуха 5 класс стоит обратиться в нашу лабораторию, где опытные специалисты и эксперты своего дела расскажут Вам о всех свойствах, которые могут Вас заинтересовать.
Подвижность воздуха
Еще одним довольно важным свойством воздуха является его подвижность. Подвижность воздуха определяется как раз скоростью движения воздуха. Что же такое скорость движения воздуха?
Итак, скорость движения - это число метров, которые проходит воздух за одну секунду времени. Как раз подвижность воздуха влияет на то, как быстро будет охлаждаться воздух. Если говорить научным языком, то это все проходит благодаря влиянию воздуха на теплопотери путем конвекции и потоиспарения.
Для человека это заметно немного, с другой стороны. Незначительная подвижность воздуха при повышенной температуре содействует ее скорому охлаждению, а пониженная температура в сочетании с высокой подвижностью воздуха способствует переохлаждению тела.
Из личного опыта мы знаем, что любой мороз в тихую погоду переносится легче, чем при сильном ветре. Умеренный ветер, как бы мы того не хотели оказывает бодрящее действие (5-7 м/сек).
Но зачем нам нужна эта подвижность воздуха? Подвижность воздуха является необходимой, поскольку способствует вентиляции зданий, помещений, приводит к самоочищению воздуха от загрязнений. Наиболее благоприятная скорость движения атмосферного воздуха - 1-5 м/сек, в помещениях - 0,1-0,3 м/сек. Для того, чтобы провести различные исследования, включая можно обратиться в "ЭкоТестЭкспресс".
Оговоримся сразу, азот в воздухе занимает большую часть, однако и химический состав оставшейся доли весьма интересен и разнообразен. Если коротко, то список основных элементов выглядит следующим образом.
Однако дадим и небольшие пояснения по функциям этих химических элементов.
1. Азот
Содержание азота в воздухе – 78% по объему и 75% по массе, то есть этот элемент доминирует в атмосфере, имеет звание одного из самых распространенных на Земле, и, кроме того, содержится и за пределами зоны обитания человека – на Уране, Нептуне и в межзвездных пространствах. Итак, сколько азота в воздухе, мы уже разобрались, остался вопрос о его функции. Азот необходим для существования живых существ, он входит в состав:
- белков;
- аминокислот;
- нуклеиновых кислот;
- хлорофилла;
- гемоглобина и др.
В среднем около 2% живой клетки составляют как раз атомы азота, что объясняет, зачем столько азота в воздухе в процентах объема и массы.
Азот также является одним из инертных газов, добываемых из атмосферного воздуха. Из него синтезируют аммиак, используют для охлаждения и в других целях.
2. Кислород
Содержание кислорода в воздухе – один из самых популярных вопросов. Сохраняя интригу, отвлечемся на один забавный факт: кислород открыли дважды – в 1771 и 1774 годах, однако из-за разницы в публикациях открытия, почести открытия элемента достались английскому химику Джозефу Пристли, который фактически выделил кислород вторым. Итак, доля кислорода в воздухе колеблется около 21% по объему и 23% по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют 99% всего земного воздуха. Однако процент кислорода в воздухе меньше, чем азота, и при этом мы не испытываем проблем с дыханием. Дело в том, что количество кислорода в воздухе оптимально рассчитано именно для нормального дыхания, в чистом виде этот газ действует на организм подобно яду, приводит к затруднениям в работе нервной системы, сбоям дыхания и кровообращения. При этом недостаток кислорода также негативно сказывается на здоровье, вызывая кислородное голодание и все связанные с ним неприятные симптомы. Поэтому сколько кислорода в воздухе содержится, столько и нужно для здорового полноценного дыхания.
3. Аргон
Аргон в воздухе занимает третье место, он не имеет запаха, цвета и вкуса. Значимой биологической роли этого газа не выявлено, однако он обладает наркотическим эффектом и даже считается допингом. Добытый из атмосферы аргон используют в промышленности, медицине, для создания искусственной атмосферы, химического синтеза, пожаротушения, создания лазеров и пр.
4. Углекислый газ
Углекислый газ составляет атмосферу Венеры и Марса, его процент в земном воздухе куда ниже. При этом огромное количество углекислоты содержится в океане, он регулярно поставляется всеми дышащими организмами, выбрасывается за счет работы промышленности. В жизни человека углекислый газ используется в пожаротушении, пищевой промышленности как газ и как пищевая добавка Е290 – консервант и разрыхлитель. В твердом виде углекислота – один из самых известных хладагентов «сухой лед».
5. Неон
Тот самый загадочный свет дискотечных фонарей, яркие вывески и современные фары используют пятый по распространенности химический элемент, который также вдыхает человек – неон. Как и многие инертные газы, неон оказывает на человека наркотическое действие при определенном давлении, однако именно этот газ используют в подготовке водолазов и других людей, работающих при повышенном давлении. Также неоново-гелиевые смеси используются в медицине при расстройствах дыхания, сам неон используют для охлаждения, в производстве сигнальных огней и тех самых неоновых ламп. Однако, вопреки стереотипу, неоновый свет не синий, а красный. Все остальные цвета дают лампы с другими газами.
6. Метан
Метан и воздух имеют очень древнюю историю: в первичной атмосфере, еще до появления человека, метан был в куда большем количестве. Сейчас этот газ, добываемый и используемый как топливо и сырье в производстве, не так широко распространен в атмосфере, но по-прежнему выделяется из Земли. Современные исследования устанавливают роль метана в дыхании и жизнедеятельности организма человека, однако авторитетных данных на этот счет пока нет.
7. Гелий
Посмотрев, сколько гелия в воздухе, любой поймет, что этот газ не относится к числу первостепенных по важности. Действительно, сложно определить биологическое значение этого газа. Не считая забавного искажения голоса при вдыхании гелия из шарика 🙂 Однако гелий широко применяется в промышленности: в металлургии, пищевой промышленности, для наполнения воздухоплавающих судов и метеорологических зондов, в лазерах, ядерных реакторах и т.д.
8. Криптон
Речь не идет о родине Супермена 🙂 Криптон – инертный газ, который в три раза тяжелее воздуха, химически инертен, добывается из воздуха, используется в лампах накаливания, лазерах и все еще активно изучается. Из интересных свойств криптона стоит отметить, что при давлении в 3,5 атмосферы он оказывает наркотический эффект на человека, а при 6 атмосферах приобретает резкий запах.
9. Водород
Водород в воздухе занимает 0,00005% по объему и 0,00008% по массе, но при этом именно он – самый распространенный элемент во Вселенной. О его истории, производстве и применении вполне можно написать отдельную статью, поэтому сейчас ограничимся небольшим списком отраслей: химическая, топливная, пищевая промышленности, авиация, метеорология, электроэнергетика.
10. Ксенон
Последний в составе воздуха, изначально и вовсе считавшийся только примесью к криптону. Его название переводится как «чужой», а процент содержания и на Земле, и за ее пределами минимальный, что обусловило его высокую стоимость. Сейчас без ксенона не обходятся: производство мощных и импульсных источников света, диагностика и наркоз в медицине, двигатели космических аппаратов, ракетное топливо. Кроме того, при вдыхании ксенон значительно понижает голос (обратный эффект гелию), а с недавнего времени вдыхание этого газа причислено к списку допингов.
Без воздуха человек не может жить, и не только человек — любое животное и растение без воздуха погибают. Человеку и животным нужен для дыхания, а растения используют находящийся в нем углекислый газ для питания и выработки кислорода. Мы дышим в любом состоянии — когда мы бодрствуем, спим, даже когда находимся в бессознательном состоянии. Человек перестает дышать только с наступлением смерти.
Незаметно для себя мы вдыхаем громадное количество воздуха: в сутки мы вдыхаем около 5 килограмм! Это составит в год почти 2 тонны. Так что каждый из нас за всю свою жизнь вдыхает в себя огромную массу воздуха. Например, кто прожил 50 лет, тот уже вдохнул в себя 100 тонн воздуха!
Для чего же человеку нужен воздух и какие его свойства жизненно важны? Когда человек делает вдох, с воздухом он получает нужные для работы организма вещества, а ненужные ему или вредные составляющие воздуха выдыхает обратно.
Какие же составляющие воздуха полезны для организма и какие бесполезны? Чтобы это понять, нужно заметить следующее: то, что мы называем воздухом, это есть ничто иное, как смесь газов, основные из которых это кислород и азот. Кислород и азот, также как и воздух, не имеют ни вкуса, ни цвета; потому мы их и не замечаем глазом, обонянием или осязанием. Кислород составляет одну пятую часть воздуха (приблизительно), а азот составляет остальные четыре пятых. Эти два газа имеют совершенно различное значение для организма человека. Азот сам по себе не нужен для организма человека, а кислород, напротив, необходим. Вдыхая воздух, мы вдыхаем кислород и азот; во время выдыхания мы весь азот отдаем обратно, а кислород по большей части организм усваивает с помощью легких для поддержания жизни. Именно кислород необходим для жизнедеятельности человека.
Подобно человеку, кислород нужен для дыхания всем животным. Жизнь каждого животного поддерживается кислородом воздуха и без него оно погибает. Только благодаря ему существует органическая жизнь на земле. Но кроме того, кислород воздуха имеет еще очень важное значение: он поддерживает горение. Если из воздуха удалить кислород, то в таком воздухе горение будет невозможно.
В кузнечной печи, где горят угли, с помощью мехов с силой вдувается воздух; кислород воздуха взаимодействует с углями и огонь усиливается; чем больше больше кислорода будет подано к углям, тем сильнее будет огонь. По той же причине на заводах посредством высоких труб увеличивают тягу; чем больше воздуха поступит в топку, тем больше кислорода попадет туда и тем сильнее будет огонь. Для той же цели, когда устанавливают печь или камин, для увеличения тяги ставится труба.
Если зажечь свечу и покрыть его банкой или стаканом (вверх дном), то свеча сперва будет гореть, а когда весь находящийся в замкнутом объеме кислород израсходуется, свеча погаснет.
На поддержание органической жизни на земле и на горение расходуется много кислорода из воздуха, и даже появлялись опасения, что воздух от этого будет становиться беднее кислородом, и что придет время, когда кислорода не хватит для жизни человечества. Но к счастью этого не произойдет, о решении этой проблемы позаботилась сама природа.
Человек и животные поглощают из воздуха кислород, я растения выделяют из себя кислород и, таким образом, они пополняют убыль кислорода в воздухе. Человек и другие животные при выдыхании выделяют из себя углекислый газ, весьма вредный для организма, а растения как раз поглощают его, и тем самым очищают воздух от углекислого газа, вырабатывая необходимый всем живым существам кислород. Так мир животных и мир растений служат поддержкой друг для друга. На этом примере мы имеем возможность убедиться, как целесообразно и гармонично все устроено в природе.
Примеси воздуха: Микробы, Пыль, Вирусы.
Главнейшие составные части воздуха - кислород и азот; как мы уже писали, кислород составляет около одной пятой части воздуха, а азот около четырех пятых. Но в составе воздуха есть и другие вещества.
Воздух всегда содержит в себе некоторое количество влаги в виде паров ; так, например, комната, имеющая площадь 10 кв.метров, может содержать около 1 килограмма водяных паров, невидимых дли глаза; это значит, что если весь пар, заключенный в комнате, собрать и обратить в воду, то получится 1 литр воды. Если зимой, например, с холода войти в теплое помещение, то очки сразу покрываются мелкими водяными капельками (конденсатом); причиной этому находящийся в воздухе водяной пар, который, как роса, осел на стеклах очков. Летом количество пара в кубическом метре воздуха может быть в 10 раз больше, чем зимой.
Кроме того, в воздух входит незначительное количество углекислого газа (а именно на 10000 частей воздуха приходится 3 части углекислого газа); однако этот газ играет очень большую роль в природном балансе. Человеческий организм вырабатывает большое количество углекислого газа и выделяет его из себя во время выдыхания воздуха. Воздух, выдыхаемый человеком, содержит более 4 процентов углекислого газа. Такой воздух уже не годится для дыхании. Вообще воздух, который содержит более 5 процентов углекислого газа, действует на человека отравляющим образом; человек долго не может находиться в таком воздухе - наступит смерть.
Также воздух, особенно в крупных городах, заражен различными бактериями, их называют часто микробами, и вирусами. Это мельчайшие невидимые живые существа; их можно видеть только с помощью микроскопа, увеличивающего в сто или тысячу раз. В благоприятной среде они размножаются чрезвычайно быстро и это размножение происходит весьма просто. Живой микроб посредине своего тела суживается и наконец, делится пополам; таким образом, путем простого деления из одного микроба получается два. Вследствие способности так быстро размножаться, бактерии и вирусы являются главным врагом человечества. Многие наши болезни от простуды и гриппа до СПИДа происходят именно от вирусов и микробов. Эти существа в огромном количестве носятся и воздухе и разносятся ветром во все стороны, они находятся и в воде и в земле. Мы их вдыхаем или глотаем сотнями и тысячами, и если они найдут в человеке благоприятную почву для своего размножения, то болезнь готова: является жар, слабость, и разные неприятные симптомы. Иногда эти бактерии и вирусы незаметно, медленно, даже не причиняя особых болей, но систематически подтачивают здоровье и разрушают организм, приводя к смерти, как при туберкулезе или СПИДе.
В комнатной пыли бактерии находят благоприятную почву для своею размножения. Эта пыль всегда поднимается с пола и заполняет комнаты. Обычно мы эту пыль не видим; но иногда летом, когда солнечные лучи входят в окно, легко в солнечных лучах заметить, как миллионы пылинок носятся в воздухе. Откуда берется комнатная пыль? Мы ее с собой приносим с улицы на ногах, пыль входит и через окна и двери; кроме того, мельчайшие частицы отрываются от пола и от разных предметов. Эту пыль мы вдыхаем; она ложится на наших легких; ослабляет наше здоровье и незаметно дли нас сокращает нашу жизнь.
Пыль в атмосфере имеет разнообразное происхождение; пыль поднимается с ветром; дым из труб, продукты извержений из и прочее, все это ветром смешивается и разносится на сотни, иногда и тысячи километров по земной поверхности.
В местах, покрытых лесом, воздух чище, так как лес своей листвой как фильтром очищает воздух и, кроме того, лес задерживает ветер, разносящий пыль. В верхних слоях воздух чище, так как земная пыль туда ветром заносится меньше. В горных местностях воздух также намного здоровее. Поэтому санатории для больных устраиваются преимущественно на возвышенной, лесистой местности. Возле морей воздух также отличается чистотой и повышенной влажностью, и полезен для больных, например, астмой.
Вес воздуха
Если мы хотим поднять какой-нибудь предмет, например гирю, камень или доску, мы должны приложить для этого некоторое усилие потому, что сила притяжения земли действует на него. Одни тела притягиваются землей больше, другие меньше, иначе говоря, одни тела весят больше, другие меньше. Вес тела и есть та сила, с которой тело притягивается землей. Итак, все тела обладают весом.
Но обладает ли весом воздух? То, что камень имеет вес, мы можем почувствовать взяв его рукой, но вес воздуха мы почувствовать не можем. Однако, легко сообразить, что если бы воздух не имел никакого веса т.е. если бы земля не притягивала его к себе, то воздух не удерживался бы на поверхности земли, и рассеялся бы к бесконечном мировом пространстве, и никакой жизни на Земле не было бы. Но земной шар притягивает к себе свою воздушную оболочку, т.е. атмосферу, а значит воздух имеет вес.
Но как узнать, сколько весит воздух? Если мы хотим, например, узнать, сколько весит вода, размещенная в бутылке, то мы взвесим сначала бутылку вместе с водой, узнав, сколько весит полная бутылка, мы затем взвешиваем пустую бутылку; далее вычитая вес пустой емкости из веса полной, мы найдем чистый вес воды в одной бутылке.
Тем же путем поступают для нахождения веса воздуха. Берется стеклянный сосуд, снабженный краном, и взвешивается вместе с находящимся там воздухом. После этого, с помощью особого прибора — воздушного насоса из этого сосуда выкачивают весь воздух, и сосуд закрывается краном так, чтобы в него не мог попасть воздух снаружи. Этот сосуд, уже лишенный содержавшегося в нем воздуха, вновь взвешивается. Оказывается, теперь вес стал меньше. Вот, разница на сколько уменьшится вес и показывает, сколько весил воздух, который был в этом сосуде.
Таким образом в результате экспериментов было выяснено, что вес 1м 3 воздуха равна 1,225 кг при нормальных условиях (нормальными условиями считаются барометрическое давление 760 мм рт. ст. и +15°С ). Температура и атмосферное давление сильно влияют на вес воздуха, так при том же давлении, но температуре +35°С вес кубического метра воздуха составит 1,1455 кг.
Расширение воздуха при нагревании
Все тела от нагревания расширяются - одни тела больше, другие меньше; это расширение очень незначительно, и мы обычно не замечаем его, но это расширение легко можно обнаружить с помощью опытов. Железо, медь как и все расширяются при нагревании. Жидкости при нагревании расширяются больше, чем твердые тела. Возьмем обыкновенный градусник и будем нагревать его. Для этого опустим кончик градусника и стакан с теплой водой; мы увидим, что жидкость в градуснике (обычно это подкрашенный спирт или ртуть) будет подниматься. Затем опустим этот градусник в холодную воду; мы заметим, что жидкость к градуснике будет понижаться. Этот опыт показывает, что от нагревания происходит изменение объема вещества в градуснике, потому оно поднимается и опускается в трубке.
Воздух также расширяется от нагревания; причем он, как и все газы, расширяется гораздо сильнее, чем твердые и жидкие тела. Чтобы в этом убедиться, можно проделать следующий опыт.
Возьмем, например, воздушный шарик, надуем его воздухом и перевяжем ниткой, чтобы воздух не вышел оттуда. Теперь будем его медленно нагревать, держа над огнем (осторожно и повыше от огня) или поливая горячей водой из душа. Мы заметим, что шарик немного расширится; при дальнейшем нагревании и расширении он может лопнуть. Из этого несложного опыта видно, что воздух при нагревании расширяется. И не только воздух, все газы расширяются от нагревания.
Вследствие нагревания воздух расширяется, а расширившись, он становится легче. Поэтому нагретый воздух поднимается вверх, что мы видим, например, в трубе печки или камина, когда горит огонь. Также, когда горит керосиновая лампа, воздух в стекле, нагревшись, расширяется, делается легче и поднимается вверх. По этой же причине воздушный шар для полетов наполняют нагретым воздухом с помощью специальной горелки, регулируя подъемную силу и высоту полета.
Давление воздуха
Мы выяснили, что воздух имеет вес, т.е. что он притягивается землей. Вследствие этого воздух, окружающий землю, т.е. атмосфера, давит на поверхность земли, а также на все тела. При этом атмосфера давит на каждое тело со всех сторон. Это давление и называется атмосферным.
Чтобы убедиться в этом, можно сделать очень простой опыт. Возьмём стакан, наполним его водой, и положим на него сверху листок бумаги. Прижимая бумагу рукой, перевернем стакан вверх дном; после этого уберем от бумаги руку. Мы увидим, что бумага не упадет, вода не выльется из стакана. Почему так происходит? Вода своим весом давит на бумагу вниз, а бумага все-таки не падает, удерживая воду. Значит бумага испытывает снизу давление, поддерживающее ее. Вот именно это давление и производит воздух.
Вот еще более простой опыт, используем обычную трубочку для воды или коктейлей, конец ее опустим в стакан с водой, а другой возьмем в рот и будем втягивать в себя воздух из трубки. Мы так часто делаем в кафе и ресторанах, не подозревая, что при этом доказываем существование давления воздуха. Мы знаем, что вода в трубке поднимается и попадает в рот. Почему это происходит? Первоначально, пока мы не вытягиваем воздух из трубки, как в трубке, так и вне ее сохраняется одинаковое давление; но когда мы из трубки стали вытягивать воздух, то в трубке давление стало меньше; вследствие этого вода в стакане под влиянием наружного атмосферного давления стала подниматься вверх по трубке.
Опыт с поршнем. Возьмем стеклянную трубку и подходящий к ней поршень, например медицинский шприц. Затем возьмем сосуд с водой и опустим в воду кончик шприца. Если мы будем поднимать поршень шприца, мы увидим, что вода поднимается вслед за поршнем. Какая этому причина? Если бы вслед за поршнем не пошла вода, то под поршнем образовалась бы пустота. В прежнее время поднятие воды объясняли разными таинственными причинами: думали, что вода поднимается потому, что природа боится пустоты. Впервые молодой итальянский ученый Торичелли дал для этого явления простое научное объяснение. Он нашел настоящую причину поднятия воды, а именно атмосферное давление: атмосфера давит на свободную поверхность воды в сосуде и когда мы поднимаем поршень, то это давление вгоняет воду в пустое пространство, образуемое под поршнем, и вода поднимается вслед за ним.
Возникает вопрос, до какой высоты вода будет идти вслед за поршнем? Оказывается, если взять очень длинную трубку, и поднимать поршень все выше и выше, то вода пойдет вслед за поршнем лишь до высоты 10,33 метра; а при дальнейшем поднятии поршня вода больше подниматься не будет, и выше воды образуется пустота. Эту пустоту впоследствии назвали Торичеллиевой пустотой в память об ученом, открывшем ее.
И так, вода поднимается вслед за поршнем лишь на высоту около 10м. Если бы атмосфера давила сильнее, то она поднимала бы воду выше; если бы она вовсе на давила, то вода и вовсе не поднималась бы вслед за поршнем. Это свойство атмосферы своим давлением поднимать воду и жидкость вообще, имеет очень важное значение и применение в науке, технике, и в повседневной жизни.
Атмосфера не везде давит с одинаковой, силой. Так, в низине она давит сильнее, а на горе меньше; потому что над горой меньше слой воздуха. Чем выше подниматься, тем меньше становится давление атмосферы. Так, например, на высоте 10 километров над уровнем моря атмосфера давит почти вчетверо слабее, чем у моря.
В одном и том же месте атмосферное давление бывает то немного больше, то немного меньше. Это зависит от того, какая погода, много ли влаги в воздухе, какие ветры дуют. Таким образом, существует тесная связь между величиной атмосферного давления и погодой. На основании этого, зная величину атмосферного давления, можно иногда судить об ожидаемой погоде.
Для измерения атмосферного давления может служить опыт Торичелли со ртутью. На основании этого опыта, можно самому построить прибор для измерения давления для этого нужно чашу со ртутью и трубку прикрепить к вертикальной доске и на доске нанести черточки с промежутками в один миллиметр, начиная от уровня ртути в чаше. Приборы, служащие для измерения атмосферного давления, называются барометрами.
Только что описанный барометр хоть и точен, но не удобен для переноски. На практике пользуются барометрами из свернутой спиралью и запаянной с двух концов металлической трубки, при изменении давления спираль слегка скручивается или раскручивается, а присоединенная к ней стрелка с шкалой показывает давление. Несмотря на невысокую точность такие барометры удобны для пользования, их даже можно носить с собою в кармане. Путешественники в горных местах очень часто берут с собою барометр; видя по прибору, какова величина атмосферного давления, они определить, на какой высоте находятся. Чем выше подниматься в гору, тем меньше атмосферное давление.
Как велико атмосферное давление? Из предыдущих опытов видно что атмосфера давит на землю и на все предметы с такой же силой, как, если бы вместо атмосферы на нас давил слой воды высотой около 10 метров. Вследствие этого каждый квадратный метр испытывает давление более 10 тонн. Несмотря на такое громадное давление, которое мы испытываем повседневно, мы его не замечаем, в чем же причина? Это происходит потому, что внешнему атмосферному давлению в нашем организме соответствует равное ему внутреннее давление. Оба эти давления друг друга уравновешивают. Ваши легкие, наше сердце, все наши органы испытывают как внешнее давление, так и внутреннее, равное внешнему.
Человеческий организм уже приспособился к такому громадному давлению, более того, такое давление для него стало нормальным и даже необходимым. Давление в верхних слоях атмосферы значительно меньше, чем внизу. Поэтому когда путешественники поднимаются на высокие горы, или воздухоплаватель на воздушном шаре летит высоко вверх, там у них нарушается равновесие между наружным и внутренним давлением и наступают разные болезненные последствия вроде потери сознания, или кровоизлияний. На высоте 10 километров человеку без специальной защиты не выжить. Также и сильное повышение давления, например при погружении в воду на большую глубину, смертельно для человека.
Упругость воздуха и газов. Теплота.
Возьмем, например, резиновый мяч. Мы знаем, что на него давит, благодаря своему весу, атмосферный воздух, а мячик между тем не сжимается. Следовательно, внутренний воздух, т.е. находящийся в мячике, в свою очередь, также давит изнутри на его стенки и не позволяет мячику сжаться. Это внутреннее давление воздуха и есть упругость воздуха.
Итак, воздух (или какой-либо другой газ), заключенный в какой-нибудь сосуд, производит давление на стенки сосуда. Что же это значит — воздух давит на стенки сосуда и как воздух может давить? Ни воздуха, ни частиц его мы не видим, но если бы возможно было их рассмотреть, то мы бы увидели, что частицы (их называют молекулами) воздуха не находится в покое, а все время двигаются, ударяются друг о друга; оттолкнутся и снова двигаются и это движение никогда не прекращается. Вследствие такого движения, молекулы воздуха ударяются о стенки сосуда, подобно тому, как если бы горошинки ударялись о стену, это хаотичное движение молекул называют броуновским движением . Каждый удар ничтожен по своей силе, но число молекул и число ударов громадно, и потому совокупное действие этих ударов производит некоторое давление.
Если воздух (или какой-нибудь другой газ), заключенный в какой-нибудь закрытый сосуд, мы будем нагревать, то воздух будет стремиться расширить свой объем, но так как объем его в сосуде не может измениться, поскольку сосуд закрыт, то воздух начнет сильнее давить на стенки сосуда. Отчего это? Что происходит с воздухом при нагревании? Когда мы нагреваем воздух (или какой-нибудь газ), то частицы его начинают двигаться быстрее, и чем сильнее мы его нагреваем, тем быстрее двигаются его частицы. Вследствие большой скорости каждая частица воздуха ударяется о стенки сосуда с большей силой, а кроме того, и самые удары происходят чаще. В результате этого совокупное действие всех ударов, т.е. давление, увеличится. А если сильно нагреть сосуд с воздухом, то может случиться, что стенки сосуда этих ударов не выдержат и сосуд лопнет.
Нагревание воздуха или газа в том и заключается, что его частицы начинают двигаться быстрее. Это, разумеется, относится не только к газам, но и к всякому телу — и твердому, и жидкому, и газообразному.
Природа не терпит пустоты. Каждый свободный сантиметр, если он не заполнен материальным телом, тут же заполняется воздухом. О том, каковы свойства воздуха, в чём его особенность и как его можно изучать, мы и поговорим в сегодняшней статье.
Что такое воздух
Воздух – это то, чем мы дышим. Он состоит из природной смеси газов и необходим всему живому на земле: человеку, животным, растениям и т.д. Когда мы вдыхаем воздух, в наш организм попадает кислород, который попадает в кровь и даёт необходимую жизненную энергию. Без воздуха человек может прожить не больше пяти минут, что делает его самым важным элементом окружающей среды.
Воздух формирует собой атмосферу – оболочку вокруг нашей планеты Земли, которая позволяет нам спокойно дышать и жить. Понять, что такое воздух можно, если детально разобрать, какие свойства воздуха.
Температура
Температурой называется величина, при помощи которой измеряется степень тепла воздуха. Воздух принято измерять по трём шкалам:
- Цельсия,
- Фаренгейта,
- Кельвина.
Шкала Цельсия используется для измерения температуры воздуха в странах СНГ. Соответственно ей 0 – исходная точка отсчёта, при этой температуре начинает таять лёд, то есть, вода переходит из твёрдого состояния в жидкое. При 100 градусах по Цельсию вода закипает и начинает испаряться, переходя из жидкого состояния в газообразное.
Давление
Давлением воздуха называется та сила, с которой он воздействует на все другие объекты. Каждый из нас испытывает на себе давление воздуха. Казалось бы, как такое возможно, если воздух – невесом, мы не ощущаем его, не видим и не можем почувствовать? Но на самом деле, воздух тоже обладает своей массой, как и любой другой элемент в окружающей среде. Просто масса его настолько мала, по сравнению с нашей собственной и с массой других материальных объектов, что мы её не ощущаем. Давление воздуха объясняется силой притяжения магнитного ядра Земли.
Плотность
Плотность воздуха – это количество воздуха на один кубический метр (1м 3). Плотность зависит от давления и температуры воздуха: при нагревании воздух расширяется и плотность его становится меньше. Соответственно, при снижении температуры воздух сжимается, на него действует давление, и плотность его становится выше. Плотность воздуха меняется в зависимости от слоя атмосферы и удалённости от земного шара. Ближе всего к Земле плотность воздуха меньше, и чем дальше от Земли, тем ниже температура, больше давление и, соответственно, больше плотность воздуха.
Вкуса, цвета или запаха воздух не имеет.
Наряду с природными свойствами, существуют физические свойства воздуха.
Инертность
Это нежелание воздуха переходить из одного состояние в другое. Он изначально тяготеет к стабильности – состоянию покоя или равномерного движения. Если же попытаться привести его в другое состояние, он будет оказывать сопротивление. И тем больше будет это сопротивление, чем больше будет плотность воздуха.
Вязкость
У молекул воздуха есть своя постоянная скорость хаотического движения. При нагревании она ускоряется, а при охлаждении – уменьшается. Но если в поток быстро движущихся молекул тёплого воздуха добавить струю холодного воздуха с медленным движением, то произойдут взаимные изменения. Медленные молекулы холодного воздуха будут остужать тёплый воздух и, соответственно, замедлять их движение. В свою очередь, быстрые молекулы тёплого воздуха будут подогревать холодный и ускорять движение его молекул.
Сжимаемость
Воздух сжимается и расширяется под воздействием давления и температуры. От высокой температуры и низкого давления воздух расширяется, от низкой температуры и высокого давления воздух сжимается.
Всё это поможет тебе лучше познать окружающий мир. Свойства воздуха такие же важные, как свойства любого другого вещества, поэтому их нужно знать и понимать каждому.
Воздух в нас и вокруг нас, он - непременное условие жизни на Земле. Знание свойств воздуха помогает человеку успешно применять их в быту, хозяйстве, строительстве и многом другом. На этом уроке мы продолжим изучать свойства воздуха, проведем много увлекательных опытов, узнаем об удивительных изобретениях человечества.
Тема: Неживая природа
Урок: Свойства воздуха
Повторим те свойства воздуха, о которых мы узнали на предыдущих уроках: воздух прозрачен, бесцветен, не имеет запаха, плохо проводит тепло.
В жаркий день оконное стекло прохладное наощупь, а подоконник и предметы стоящие на нем - теплые. Так происходит потому, что стекло - прозрачное тело, которое пропускает тепло, но само не нагревается. Воздух тоже прозрачен, поэтому хорошо пропускает солнечные лучи.
Рис. 1. Оконное стекло проводит солнечные лучи ()
Проведем несложный опыт: перевернутый вверх дном стакан опустим в широкий сосуд, наполненный водой. Мы почувствуем легкое сопротивление и увидим, что вода не может заполнить стакан, потому что воздух, находящийся в стакане, не “уступает” своего места воде. Если слегка наклонить стакан, не вынимая его из воды, из стакана выйдет воздушный пузырь, и часть воды войдет в стакан, но даже в таком положении стакана вода не сможет заполнить его полностью.
Рис. 2. Пузырьки воздуха выходят из наклоненного стакана, уступая место воде ()
Так происходит потому, что воздух, как и любое другое тело, занимает пространство в окружающем мире.
Используя это свойство воздуха, человек научился работать под водой без специального костюма. Для этого был создан водолазный колокол: под колокол-колпак, изготовленный из прозрачного материала, становятся люди и необходимое оборудование и колокол опускается при помощи подъемного крана под воду.
Воздух, находящийся под куполом, позволяет людям дышать некоторое время, достаточное для того, чтобы осмотреть повреждения корабля, опоры моста или дно водохранилища.
Для доказательства следующего свойства воздуха, необходимо плотно прикрыть пальцем левой руки отверстие велосипедного насоса, а правой рукой нажать на поршень.
Потом, не убирая пальца от отверстия, отпустить поршень. Палец, которым закрыто отверстие, чувствует, что воздух на него очень сильно давит. Но поршень с трудом, но сдвинется. Это означает, что воздух можно сжать. Воздух обладает упругостью, потому что когда мы отпускаем поршень, он сам возвращается в первоначальное положение.
Упругими называют тела, которые после прекращения сжатия принимают первоначальную форму. Например, если сжать пружину, а потом отпустить, она примет свою первоначальную форму.
Сжатый воздух тоже упруг, он стремится расшириться и занять прежнее место.
Для того, чтобы доказать, что воздух имеет массу, нужно сделать самодельные весы. Прикрепим сдутые воздушные шарики к концам палочки с помощью скотча. Положим длинную палочку на середину короткой, так чтобы концы уравновешивали друг друга. Соединим их ниткой. Прикрепим скотчем короткую палочку к двум банкам. Надуем один шарик и снова прикрепим его к палочке тем же кусочком скотча. Установим на прежнее место.
Мы увидим, как палочка наклоняется в сторону надутого шарика, потому что воздух, наполнивший шарик, делает его тяжелее. Из этого опыта можно сделать вывод, что воздух имеет массу и его можно взвесить.
Если воздух имеет массу, значит, он должен оказывать давление на Землю и все, что на ней находится. Так и есть, ученые подсчитали, что воздух атмосферы Земли оказывает на человека давление в 15 тонн (как три грузовика), но человек не чувствует этого, потому что в человеческом организме содержится достаточное количество воздуха, который оказывает давление такой же силы. Давление внутри и снаружи уравновешивается, поэтому человек ничего не ощущает.
Выясним, что происходит с воздухом при нагревании и охлаждении. Для этого проведем опыт: нагреем колбу со вставленной в нее стеклянной трубкой теплом своих рук и увидим, что из трубки в воду выходят пузырьки воздуха. Это происходит потому, что воздух в колбе при нагревании расширяется. Если накрыть колбу смоченной в холодной воде салфеткой, мы увидим, что вода из стакана по трубке поднимается вверх, потому что при охлаждении воздух сжимается.
Рис. 7. Свойства воздуха при нагревании и охлаждении ()
Чтобы узнать больше о свойствах воздуха, проведем еще один опыт: две колбы закрепим на трубке штатива. Они уравновешены.
Рис. 8. Опыт по определению движения воздуха
Но, если одну колбу нагреть, она поднимется выше другой, потому что горячий воздух легче холодного и поднимается вверх. Если над колбой с горячим воздухом закрепить полоски тонкой легкой бумаги, будет видно, как они трепещут и поднимаются вверх, показывая движение нагретого воздуха.
Рис. 9. Теплый воздух поднимается вверх
Знания этого свойства воздуха человек использовал при создании летательного аппарата - воздушного шара. Большая сфера, наполненная подогретым воздухом, поднимается высоко в небо и способна выдерживать вес нескольких человек.
Мы редко над этим задумываемся, но используем свойства воздуха каждый день: пальто, шапка или варежки не греют сами по себе - воздух в волокнах ткани плохо проводит тепло, поэтому, чем пушистее волокна, тем больше в них воздуха, а значит и теплее вещь, изготовленная из такой ткани.
Сжимаемость и упругость воздуха используют в надувных изделиях (надувные матрацы, мячи) и шинах различных механизмов (автомобили, велосипеды).
Рис. 14. Велосипедное колесо ()
Сжатый воздух может остановить на полном ходу даже железнодорожный состав. Воздушные тормоза установлены в автобусах, троллейбусах, составах метро. Воздух обеспечивает звучание духовых, ударных, клавишно-духовых инструментов. Когда барабанщик ударяет палочками по туго натянутой коже барабана, она колеблется, а воздух внутри барабана производит звук. В больницах установлены аппараты вентиляции легких: если человек не может самостоятельно дышать, его подключают к такому аппарату, который через специальную трубку подает в легкие обогащенный кислородом сжатый воздух. Сжатый воздух используют везде: в книгопечатании, строительстве, ремонте и др.
