Розглянуто основні фізичні властивості повітря: щільність повітря, його динамічна та кінематична в'язкість, питома теплоємність, теплопровідність, температуропровідність, число Прандтля та ентропія. Властивості повітря наведені в таблицях залежно від температури при нормальному атмосферному тиску.
Щільність повітря в залежності від температури
Представлено докладну таблицю значень щільності повітря в сухому стані при різних температурахта нормальному атмосферному тиску. Чому дорівнює густина повітря? Аналітично визначити густину повітря можна, якщо розділити його масу на об'єм, який він займаєза заданих умов (тиск, температура та вологість). Також можна обчислити його густину за формулою рівняння стану ідеального газу. Для цього потрібно знати абсолютний тискі температуру повітря, а також його газову постійну та молярний об'єм. Це рівняння дозволяє обчислити густину повітря в сухому стані.
На практиці, щоб дізнатися яка щільність повітря при різних температурах, зручно користуватися готовими таблицями. Наприклад, наведеною таблицею значень густини атмосферного повітря залежно від температури. Щільність повітря в таблиці виражена в кілограмах на кубічний метр і дана в інтервалі температури від мінус 50 до 1200 градусів за нормального атмосферного тиску (101325 Па).
| t, °С | ρ, кг/м 3 | t, °С | ρ, кг/м 3 | t, °С | ρ, кг/м 3 | t, °С | ρ, кг/м 3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 1,584 | 20 | 1,205 | 150 | 0,835 | 600 | 0,404 |
| -45 | 1,549 | 30 | 1,165 | 160 | 0,815 | 650 | 0,383 |
| -40 | 1,515 | 40 | 1,128 | 170 | 0,797 | 700 | 0,362 |
| -35 | 1,484 | 50 | 1,093 | 180 | 0,779 | 750 | 0,346 |
| -30 | 1,453 | 60 | 1,06 | 190 | 0,763 | 800 | 0,329 |
| -25 | 1,424 | 70 | 1,029 | 200 | 0,746 | 850 | 0,315 |
| -20 | 1,395 | 80 | 1 | 250 | 0,674 | 900 | 0,301 |
| -15 | 1,369 | 90 | 0,972 | 300 | 0,615 | 950 | 0,289 |
| -10 | 1,342 | 100 | 0,946 | 350 | 0,566 | 1000 | 0,277 |
| -5 | 1,318 | 110 | 0,922 | 400 | 0,524 | 1050 | 0,267 |
| 0 | 1,293 | 120 | 0,898 | 450 | 0,49 | 1100 | 0,257 |
| 10 | 1,247 | 130 | 0,876 | 500 | 0,456 | 1150 | 0,248 |
| 15 | 1,226 | 140 | 0,854 | 550 | 0,43 | 1200 | 0,239 |
При 25°С повітря має густину 1,185 кг/м 3 .При нагріванні густина повітря знижується - повітря розширюється (його питомий обсяг збільшується). Зі зростанням температури, наприклад до 1200°С, досягається дуже низька щільністьповітря, що дорівнює 0,239 кг/м 3 , що в 5 разів менше за її значення при кімнатній температурі. У загальному випадку зниження при нагріванні дозволяє проходити такому процесу, як природна конвекція і застосовується, наприклад, в повітроплаванні.
Якщо порівняти щільність повітря відносно повітря, то повітря легше на три порядки — при температурі 4°С щільність води дорівнює 1000 кг/м 3 , а щільність повітря становить 1,27 кг/м 3 . Необхідно також відзначити значення густини повітря за нормальних умов. Нормальними умовами для газів є такі, за яких їхня температура дорівнює 0°С, а тиск дорівнює нормальному атмосферному. Таким чином, згідно з таблицею, щільність повітря за нормальних умов (при НУ) дорівнює 1,293 кг/м 3.
Динамічна та кінематична в'язкість повітря при різних температурах
При виконанні теплових розрахунків необхідно знати значення в'язкості повітря (коефіцієнта в'язкості) за різної температури. Ця величина потрібна обчислення числа Рейнольдса, Грасгофа, Релея, значення яких визначають режим течії цього газу. У таблиці наведено значення коефіцієнтів динамічної μ та кінематичної ν в'язкості повітря в діапазоні температури від -50 до 1200 ° С при атмосферному тиску.
Коефіцієнт в'язкості повітря із зростанням його температури значно збільшується.Наприклад, кінематична в'язкість повітря дорівнює 15,06 · 10 -6 м 2 / с при температурі 20 ° С, а зі зростанням температури до 1200 ° С в'язкість повітря становить 233,7 · 10 -6 м 2 / с, тобто збільшується у 15,5 разів! Динамічна в'язкість повітря за нормальної температури 20°З дорівнює 18,1·10 -6 Па·с.
При нагріванні повітря збільшуються значення як кінематичної, і динамічної в'язкості. Ці дві величини пов'язані між собою через величину густини повітря, значення якої зменшується при нагріванні цього газу. Збільшення кінематичної та динамічної в'язкості повітря (як і інших газів) при нагріванні пов'язане з більш інтенсивним коливанням молекул повітря навколо їх рівноважного стану (згідно з МКТ).
| t, °С | μ·10 6 , Па·с | ν·10 6 , м 2 /с | t, °С | μ·10 6 , Па·с | ν·10 6 , м 2 /с | t, °С | μ·10 6 , Па·с | ν·10 6 , м 2 /с |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 14,6 | 9,23 | 70 | 20,6 | 20,02 | 350 | 31,4 | 55,46 |
| -45 | 14,9 | 9,64 | 80 | 21,1 | 21,09 | 400 | 33 | 63,09 |
| -40 | 15,2 | 10,04 | 90 | 21,5 | 22,1 | 450 | 34,6 | 69,28 |
| -35 | 15,5 | 10,42 | 100 | 21,9 | 23,13 | 500 | 36,2 | 79,38 |
| -30 | 15,7 | 10,8 | 110 | 22,4 | 24,3 | 550 | 37,7 | 88,14 |
| -25 | 16 | 11,21 | 120 | 22,8 | 25,45 | 600 | 39,1 | 96,89 |
| -20 | 16,2 | 11,61 | 130 | 23,3 | 26,63 | 650 | 40,5 | 106,15 |
| -15 | 16,5 | 12,02 | 140 | 23,7 | 27,8 | 700 | 41,8 | 115,4 |
| -10 | 16,7 | 12,43 | 150 | 24,1 | 28,95 | 750 | 43,1 | 125,1 |
| -5 | 17 | 12,86 | 160 | 24,5 | 30,09 | 800 | 44,3 | 134,8 |
| 0 | 17,2 | 13,28 | 170 | 24,9 | 31,29 | 850 | 45,5 | 145 |
| 10 | 17,6 | 14,16 | 180 | 25,3 | 32,49 | 900 | 46,7 | 155,1 |
| 15 | 17,9 | 14,61 | 190 | 25,7 | 33,67 | 950 | 47,9 | 166,1 |
| 20 | 18,1 | 15,06 | 200 | 26 | 34,85 | 1000 | 49 | 177,1 |
| 30 | 18,6 | 16 | 225 | 26,7 | 37,73 | 1050 | 50,1 | 188,2 |
| 40 | 19,1 | 16,96 | 250 | 27,4 | 40,61 | 1100 | 51,2 | 199,3 |
| 50 | 19,6 | 17,95 | 300 | 29,7 | 48,33 | 1150 | 52,4 | 216,5 |
| 60 | 20,1 | 18,97 | 325 | 30,6 | 51,9 | 1200 | 53,5 | 233,7 |
Примітка: Будьте уважні! В'язкість повітря дана в ступені 106.
Питома теплоємність повітря за температури від -50 до 1200°С
Подано таблицю питомої теплоємності повітря при різних температурах. Теплоємність у таблиці дана при постійному тиску (ізобарна теплоємність повітря) в інтервалі температури від мінус 50 до 1200°З повітря в сухому стані. Чому дорівнює питома теплоємність повітря? Величина питомої теплоємності визначає кількість тепла, яке необхідно підвести до одного кілограма повітря при постійному тиску збільшення його температури на 1 градус. Наприклад, при 20°С для нагрівання 1 кг цього газу на 1°С в ізобарному процесі потрібно підвести 1005 Дж тепла.
Питома теплоємність повітря зростає зі зростанням його температури.Проте залежність масової теплоємності повітря від температури не лінійна. В інтервалі від -50 до 120 ° С її величина практично не змінюється - в цих умовах середня теплоємність повітря дорівнює 1010 Дж/(кг град). За даними таблиці видно, що значний вплив температура починає чинити зі значення 130°С. Проте температура повітря впливає на його питому теплоємність набагато слабше, ніж на в'язкість. Так, при нагріванні з 0 до 1200 ° С теплоємність повітря збільшується лише в 1,2 рази - з 1005 до 1210 Дж/(кг град).
Слід зазначити, що теплоємність вологого повітря вища, ніж сухого. Якщо порівняти і повітря, то очевидно, що вода має більш високе її значення і вміст води в повітрі призводить до збільшення питомої теплоємності.
| t, °С | C p , Дж/(кг град) | t, °С | C p , Дж/(кг град) | t, °С | C p , Дж/(кг град) | t, °С | C p , Дж/(кг град) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 1013 | 20 | 1005 | 150 | 1015 | 600 | 1114 |
| -45 | 1013 | 30 | 1005 | 160 | 1017 | 650 | 1125 |
| -40 | 1013 | 40 | 1005 | 170 | 1020 | 700 | 1135 |
| -35 | 1013 | 50 | 1005 | 180 | 1022 | 750 | 1146 |
| -30 | 1013 | 60 | 1005 | 190 | 1024 | 800 | 1156 |
| -25 | 1011 | 70 | 1009 | 200 | 1026 | 850 | 1164 |
| -20 | 1009 | 80 | 1009 | 250 | 1037 | 900 | 1172 |
| -15 | 1009 | 90 | 1009 | 300 | 1047 | 950 | 1179 |
| -10 | 1009 | 100 | 1009 | 350 | 1058 | 1000 | 1185 |
| -5 | 1007 | 110 | 1009 | 400 | 1068 | 1050 | 1191 |
| 0 | 1005 | 120 | 1009 | 450 | 1081 | 1100 | 1197 |
| 10 | 1005 | 130 | 1011 | 500 | 1093 | 1150 | 1204 |
| 15 | 1005 | 140 | 1013 | 550 | 1104 | 1200 | 1210 |
Теплопровідність, температуропровідність, число Прандтля повітря
У таблиці представлені такі фізичні властивості атмосферного повітря, як теплопровідність, температуропровідність та його число Прандтля залежно від температури. Теплофізичні властивості повітря дано в інтервалі від -50 до 1200 ° С для сухого повітря. За даними таблиці видно, що зазначені властивості повітря суттєво залежать від температури та температурна залежність розглянутих властивостей цього газу різна.
Багатьох може здивувати той факт, що повітря має певну ненульову вагу. Точне значення цієї ваги визначити не так просто, оскільки на неї сильно впливають такі фактори, як хімічний склад, вологість, температура та тиск. Розглянемо докладніше питання, скільки важить повітря.
Що таке повітря
Перш ніж відповідати на питання про те, скільки важить повітря, необхідно розібратися з тим, що є ця субстанція. Повітря - це газова оболонка, яка існує навколо нашої планети, і яка є гомогенною сумішшю різних газів. До складу повітря входять такі гази:
- азот (78,08%);
- кисень (20,94%);
- аргон (0,93%);
- водяна пара (0,40%);
- вуглекислий газ (0,035%).
Крім перерахованих вище газів, у повітрі також присутні в мінімальних кількостяхнеон (0,0018%), гелій (0,0005%), метан (0,00017%), криптон (0,00014%), водень (0,00005%), аміак (0,0003%).
Цікаво відзначити, що розділити ці компоненти можна, якщо конденсувати повітря, тобто перетворити його на рідкий стан шляхом збільшення тиску і зменшення температури. Оскільки кожен компонент повітря має свою температуру конденсації, то таким способом вдається виділити всі компоненти з повітря, що використовується на практиці.
Вага повітря та фактори, які на нього впливають
Що заважає точно відповісти на запитання, скільки важить кубометр повітря? Звичайно, ряд факторів, які можуть сильно впливати на цю вагу.
По-перше, це хімічний склад. Вище наведено дані для складу чистого повітря, проте, в даний час це повітря у багатьох місцях планети сильно забруднене, відповідно, його склад буде іншим. Так, поблизу великих міст у повітрі міститься більше вуглекислого газу, аміаку, метану, ніж у повітрі сільської місцевості.
По-друге, вологість, тобто кількість водяної пари, яка міститься в атмосфері. Чим вологіше повітря, тим менше воно важить за інших рівних умов.
По-третє, температура. Це один із важливих факторів, Чим менше її значення, тим вище щільність повітря, і, тим більше його вага.
По-четверте, атмосферний тиск, який безпосередньо відображає кількість молекул повітря в певному обсязі, тобто його вагу.
Щоб зрозуміти, як сукупність цих факторів впливає на вагу повітря, наведемо простий приклад: маса одного метра кубічного сухого повітря при температурі 25°C, що знаходиться поблизу поверхні землі, становить 1,205 кг, якщо розглядати аналогічний об'єм повітря поблизу поверхні моря при температурі 0° C, то його маса вже дорівнюватиме 1,293 кг, тобто збільшиться на 7,3%.
Зміна густини повітря з висотою
Зі збільшенням висоти падає тиск повітря, відповідно, зменшується його щільність та вага. Атмосферне повітряпри тисках, які спостерігаються на Землі, можна у першому наближенні вважати ідеальним газом. Це означає, що тиск і щільність повітря математично зв'язуються один з одним через рівняння стану ідеального газу: P = ρ*R*T/M, де P - тиск, ρ - густина, T - температура в кельвінах, M - молярна масаповітря, R – універсальна газова постійна.
З наведеної вище формули можна отримати формулу залежності щільності повітря від висоти, якщо врахувати, що тиск змінюється згідно із законом P = P 0 +ρ*g*h, де P 0 - тиск на поверхні землі, g - прискорення вільного падіння, h - висота . Підставляючи цю формулу для тиску в попередній вираз і виражаючи щільність, отримуємо: ρ(h) = P 0 *M/(R*T(h)+g(h)*M*h). За допомогою цього виразу можна визначити густину повітря на будь-якій висоті. Відповідно, вага повітря (правильніше говорити маса) визначається за формулою m(h) = ρ(h)*V, де V - заданий об'єм.
У вираженні залежності щільності від висоти можна помітити, що від висоти також залежить температура і прискорення вільного падіння. Останню залежність можна знехтувати, якщо йдеться про висоти не більше 1-2 км. Що ж до температури, її залежність від висоти добре описується наступним емпіричним виразом: T(h) = T 0 -0,65*h, де T 0 - температура повітря поблизу поверхні землі.
Щоб не обчислювати постійно щільність кожної висоти, нижче наведемо таблицю залежності основних показників повітря від висоти (до 10 км).
Яке повітря є найважчим
Розглянувши основні фактори, які визначають відповідь на питання про те, скільки важить повітря, можна зрозуміти, яке повітря буде найважчим. Говорячи коротко, холодне повітря важить завжди більше, ніж тепле, оскільки щільність останнього нижче, і сухе повітря важить більше, ніж вологе. Останнє твердження легко зрозуміти, оскільки становить 29 г/моль, а молярна маса молекули води дорівнює 18 г/моль, тобто менше 1,6 раза.
Визначення ваги повітря за заданих умов
Тепер вирішимо конкретне завдання. Відповімо на запитання про те, скільки важить повітря, що займає об'єм 150 л при температурі 288 К. Врахуємо, що 1 літр становить тисячну частину від кубічного метра, тобто 1 л = 0,001 м 3 . Що стосується температури 288 К, то вона відповідає 15 ° C, тобто є типовою для багатьох районів нашої планети. Далі потрібно визначити густину повітря. Зробити це можна двома способами:
- Розрахувати за наведеною вище формулою для висоти 0 метрів над рівнем моря. У цьому випадку виходить значення ρ = 1,227 кг/м3
- Подивитися у наведену вище таблицю, яка побудована, виходячи з T 0 = 288,15 К. У таблиці стоїть значення ρ = 1,225 кг/м 3 .
Таким чином, вийшло два числа, які добре узгоджуються. Невелика відмінність пов'язана з похибкою 0,15 К при визначенні температури, а також з тим, що повітря є все ж таки не ідеальним, а реальним газом. Тому для подальших розрахунків візьмемо середнє із двох отриманих значень, тобто ρ = 1,226 кг/м 3 .
Тепер, користуючись формулою зв'язку маси, густини та об'єму, отримуємо: m = ρ*V = 1,226 кг/м 3 * 0,150 м 3 = 0,1839 кг або 183,9 грама.
Також можна відповісти скільки важить літр повітря за заданих умов: m = 1,226 кг/м 3 * 0,001 м 3 = 0,001226 кг або приблизно 1,2 грама.
Чому ми не відчуваємо, що повітря тисне на нас
Скільки важить 1 м3 повітря? Трохи більше ніж 1 кілограм. Весь атмосферний стіл нашої планети тисне на людину своєю вагою в 200 кг! Це досить велика маса повітря, яка могла б завдати багато неприємностей людині. Чому ж ми її не відчуваємо? Це пояснюється двома причинами: по-перше, всередині самої людини є також внутрішній тиск, який протидіє зовнішньому атмосферному тиску, по-друге, повітря, будучи газом, тиск у всіх напрямках однаково, тобто тиску в усіх напрямках врівноважують один одного.
ВИЗНАЧЕННЯ
Атмосферне повітряє сумішшю багатьох газів. Повітря має складний склад. Його основні складові можна підрозділити на три групи: постійні, змінні і випадкові. До перших відноситься кисень (вміст кисню в повітрі становить близько 21% за обсягом), азот (близько 86%) та так звані інертні гази (близько 1%).
Зміст складових частинФактично залежить від цього, де земної кулі взята проба сухого повітря. До другої групи відносяться вуглекислий газ (0,02 - 0,04%) та водяна пара (до 3%). Зміст випадкових складових частин залежить від місцевих умов: поблизу металургійних заводівдо повітря часто бувають примішані помітні кількості сірчистого газу, в місцях, де відбувається розпад органічних залишків - аміаку і т.д. Крім різних газів, повітря завжди містить більшу чи меншу кількість пилу.
Щільність повітря є величиною, що дорівнює масі газу атмосфери Землі, поділену на одиницю об'єму. Вона залежить від тиску, температури та вологості. Існує стандартна величина щільності повітря - 1,225 кг/м 3 відповідна щільності сухого повітря при температурі 15 o С і тиску 101330 Па.
Знаючи з досвіду масу літра повітря за нормальних умов (1,293 р), можна обчислити той молекулярний вага, який би повітря, якби він був індивідуальним газом. Так як грам-молекула будь-якого газу займає за нормальних умов об'єм 22,4 л, середня молекулярна вага повітря дорівнює
22,4×1,293 = 29.
Це число - 29 - слід запам'ятати: знаючи його, легко розрахувати густину будь-якого газу по відношенню до повітря.
Щільність рідкого повітря
При достатньому охолодженні повітря перетворюється на рідкий стан. Рідке повітря можна досить довго зберігати в судинах з подвійними стінками, з простору між якими зменшення теплопередачі викачано повітря. Подібні судини використовуються, наприклад, термосах.
Рідке повітря, що вільно випаровується при звичайних умовах, має температуру близько (-190 o С). Склад його непостійний, оскільки азот випаровується легше кисню. У міру видалення азоту колір рідкого повітря змінюється від блакитного до блідо-синього (колір рідкого кисню).
У рідкому повітрі легко переходять у твердий стан етиловий спирт, діетиловий ефір та багато газів. Якщо, наприклад, пропускати через рідке повітря діоксид вуглецю, то він перетворюється на білі пластівці, схожі на зовнішньому виглядуна снігу. Ртуть, занурена в рідке повітря, стає твердою та ковкою.
Багато речовин, охолоджені рідким повітрям, різко змінюють свої властивості. Так, чинк і олово стають настільки крихкими, що легко перетворюються на порошок, свинцевий дзвіночок видає чистий дзвінкий звук, а заморожений гумовий м'ячик розбивається вщент, якщо впустити його на підлогу.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
ПРИКЛАД 2
| Завдання | Визначте у скільки разів важчий за повітря сірководень H 2 S. |
| Рішення | Відношення маси даного газу до маси іншого газу, взятого в тому ж обсязі, при тій же температурі і тому ж тиску, називається відносною щільністю першого газу по другому. Ця величинапоказує, у скільки разів перший газ важчий або легший за другий газ. Відносну молекулярну масу повітря приймають рівною 29 (з урахуванням вмісту в повітрі азоту, кисню та інших газів). Слід зазначити, що поняття «відносна молекулярна маса повітря» використовується умовно, оскільки повітря це суміш газів. D air (H 2 S) = M r (H 2 S) / M r (air); D air (H 2 S) = 34/29 = 1,17. M r (H 2 S) = 2 × A r (H) + A r (S) = 2 × 1 + 32 = 2 + 32 = 34. |
| Відповідь | Сірководень H 2 S важчий за повітря в 1,17 разів. |
Стиснене повітря- це повітря, що знаходиться під тиском, що перевищує атмосферний тиск.
Стиснене повітря є унікальним енергоносієм поряд з електроенергією, природним газомта водою. У виробничих умовах стиснене повітря, в основному, використовується для приводу в дію пристроїв та механізмів з пневматичним приводом (пневмопривід).
У повсякденному, повсякденному житті ми практично не помічаємо навколишнє Повітря. Тим не менш, протягом всієї історії людства люди використовували унікальні властивостіповітря. Винахід вітрила та ковальського горна, вітрякаі повітряної кулістали першими кроками використання повітря як енергоносій.
З винаходом компресора настала епоха індустріального використання стисненого повітря. І питання: «що ж являє собою Повітря, і які властивості він має?» - став далеко не пустим.
Приступаючи до проектування нової пневмосистеми або модернізації вже існуючої, не зайве згадати іпро деякі властивості повітря, терміни та одиниці виміру.
Повітря це суміш газів, головним чином що складається з азоту та кисню.
|
Склад повітря |
|||
|
Елемент* |
Позначення |
За об'ємом, % |
За масою, % |
|
Кисень |
|||
|
Вуглекислий газ |
CO 2 |
||
|
CH 4 |
|||
|
H 2 O |
|||
Середня відносна молярна маса -28,98. 10 -3 кг/моль
*Склад повітря може змінюватися. Як правило, у промислових зонах повітря містить
густинаі питомий об'єм вологого повітряє величинами змінними, що залежать від температури та повітряного середовища. Ці величини потрібно знати при підборі вентиляторів для вирішення завдань, пов'язаних з переміщенням сушильного агента по повітроводах, при визначенні потужності електродвигунів вентиляторів.Це маса (вага) 1 куб.м суміші повітря та водяної пари при певній температурі та відносної вологості. Питомий обсяг є обсяг повітря і водяної пари, що припадає на 1 кг сухого повітря.
Волого- та тепломіст
Маса в грамах, що припадає на одиницю маси (1 кг) сухого повітря, у загальному їх обсязі називається вологовмістом повітря. Воно виходить шляхом розподілу величини густини водяної пари, що міститься в повітрі, вираженої в грамах, на величину густини сухого повітря в кілограмах.Щоб визначити витрати тепла на вологи, потрібно знати величину тепломістку вологого повітря. Під цією величиною розуміється , що міститься в суміші повітря та водяної пари. Воно чисельно дорівнює сумі: