อากาศมีน้ำหนักเท่าไหร่? น้ำหนักลูกบาศก์ลิตรของอากาศ

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

หลายคนอาจจะแปลกใจกับความจริงที่ว่าอากาศมีน้ำหนักไม่เป็นศูนย์ ค่าที่แน่นอนของน้ำหนักนี้ไม่ได้ง่ายนัก เนื่องจากได้รับอิทธิพลอย่างมากจากปัจจัยต่างๆ เช่น องค์ประกอบทางเคมี ความชื้น อุณหภูมิ และความดัน มาดูคำถามที่ว่าอากาศมีน้ำหนักเท่าไหร่กัน

อากาศคืออะไร

ก่อนตอบคำถามว่าอากาศมีน้ำหนักเท่าไร จำเป็นต้องเข้าใจว่าสารนี้คืออะไร อากาศเป็นเปลือกก๊าซที่มีอยู่รอบโลกของเรา ซึ่งเป็นส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของก๊าซต่างๆ อากาศประกอบด้วยก๊าซต่อไปนี้:

ไนโตรเจน (78.08%);
ออกซิเจน (20.94%);
อาร์กอน (0.93%);
ไอน้ำ (0.40%);
คาร์บอนไดออกไซด์ (0.035%).

นอกจากก๊าซที่ระบุไว้ข้างต้นแล้ว อากาศยังมีนีออนในปริมาณน้อยที่สุด (0.0018%) ฮีเลียม (0.0005%) มีเทน (0.00017%) คริปทอน (0.00014%), ไฮโดรเจน (0.00005%), แอมโมเนีย (0.0003%).

เป็นที่น่าสังเกตว่าคุณสามารถแยกส่วนประกอบเหล่านี้ออกได้หากคุณควบแน่นอากาศ นั่นคือเปลี่ยนให้เป็นสถานะของเหลวโดยเพิ่มแรงดันและลดอุณหภูมิ เนื่องจากแต่ละองค์ประกอบของอากาศมีอุณหภูมิการควบแน่นของตัวเอง ด้วยวิธีนี้จึงเป็นไปได้ที่จะแยกส่วนประกอบทั้งหมดออกจากอากาศ ซึ่งใช้ในทางปฏิบัติ

น้ำหนักอากาศและปัจจัยที่มีผลกระทบ

อะไรขัดขวางไม่ให้คุณตอบคำถามตรงๆ อากาศหนึ่งลูกบาศก์เมตรมีน้ำหนักเท่าไหร่? แน่นอนว่ามีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อน้ำหนักนี้อย่างมาก

อย่างแรกคือองค์ประกอบทางเคมี ข้างต้นคือข้อมูลองค์ประกอบของอากาศบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน อากาศนี้มีมลพิษอย่างหนักในหลายพื้นที่บนโลกใบนี้ ตามลำดับ องค์ประกอบของอากาศจะแตกต่างกัน ดังนั้นใกล้เมืองใหญ่ อากาศจึงมีคาร์บอนไดออกไซด์ แอมโมเนีย มีเทนมากกว่าอากาศในพื้นที่ชนบท

อย่างที่สอง ความชื้น คือ ปริมาณไอน้ำที่มีอยู่ในบรรยากาศ ยิ่งอากาศชื้น น้ำหนักก็น้อยลง อย่างอื่นก็เท่าเทียมกัน

สาม อุณหภูมิ. นี่เป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญ ยิ่งค่ายิ่งต่ำ ความหนาแน่นของอากาศยิ่งสูงขึ้น และน้ำหนักก็จะมากขึ้นตามไปด้วย

ประการที่สี่ ความกดอากาศซึ่งสะท้อนถึงจำนวนโมเลกุลของอากาศในปริมาตรที่แน่นอนโดยตรง กล่าวคือ น้ำหนักของมัน

เพื่อทำความเข้าใจว่าปัจจัยเหล่านี้ส่งผลต่อน้ำหนักของอากาศอย่างไร ลองมาดูตัวอย่างง่ายๆ กัน: มวลของลูกบาศก์อากาศแห้งหนึ่งเมตรที่อุณหภูมิ 25 ° C ซึ่งตั้งอยู่ใกล้กับพื้นผิวโลกคือ 1.205 กก. แต่ถ้าเราพิจารณาปริมาตรอากาศใกล้เคียงผิวทะเลที่อุณหภูมิ 0 ° C มวลของมันจะเท่ากับ 1.293 กก. นั่นคือจะเพิ่มขึ้น 7.3%

ความหนาแน่นของอากาศเปลี่ยนแปลงตามความสูง

เมื่อความสูงเพิ่มขึ้น ความกดอากาศจะลดลงตามลำดับ ความหนาแน่นและน้ำหนักจะลดลง อากาศในบรรยากาศที่ความดันที่สังเกตได้บนโลกถือได้ว่าเป็นก๊าซในอุดมคติเป็นการประมาณครั้งแรก ซึ่งหมายความว่าความดันและความหนาแน่นของอากาศสัมพันธ์กันทางคณิตศาสตร์ผ่านสมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ: P=ρRT/M โดยที่ P คือความดัน ρ คือความหนาแน่น T คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวิน M คือมวลโมลาร์ของอากาศ R คือค่าคงที่แก๊สสากล

จากสูตรข้างต้น คุณจะได้สูตรการพึ่งพาความหนาแน่นของอากาศกับความสูง โดยที่ความดันเปลี่ยนแปลงตามกฎหมาย P=P₀+ρ gh โดยที่ P ₀ - ความดันที่พื้นผิวโลก g - ความเร่งการตกอย่างอิสระ h - ความสูง แทนที่สูตรนี้สำหรับความดันในนิพจน์ก่อนหน้า และแสดงความหนาแน่น เราได้: ρ(h)=P_{0M/(RT(h)+g(h) ม ช). เมื่อใช้นิพจน์นี้ คุณสามารถกำหนดความหนาแน่นของอากาศที่ระดับความสูงใดก็ได้ ดังนั้น น้ำหนักของอากาศ (มวลที่ถูกต้องกว่า) ถูกกำหนดโดยสูตร m(h)=ρ(h)V โดยที่ V คือปริมาตรที่กำหนด}

ในนิพจน์สำหรับการขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของความสูง เราสามารถสังเกตได้ว่าอุณหภูมิและความเร่งของการตกอย่างอิสระนั้นขึ้นอยู่กับความสูงด้วย การพึ่งพาอาศัยกันครั้งสุดท้ายสามารถละเลยได้หากเรากำลังพูดถึงความสูงไม่เกิน 1–2 กม. ส่วนอุณหภูมิก็การพึ่งพาระดับความสูงมีคำอธิบายที่ดีโดยนิพจน์เชิงประจักษ์ต่อไปนี้ T(h)=T₀-0, 65h โดยที่ T_{0 คือ อุณหภูมิอากาศใกล้ผิวดิน}

เพื่อไม่ให้คำนวณความหนาแน่นของความสูงแต่ละส่วนอย่างต่อเนื่อง ด้านล่างนี้คือตารางการพึ่งพาลักษณะอากาศหลักบนความสูง (ไม่เกิน 10 กม.)

อากาศไหนหนักที่สุด

เมื่อพิจารณาถึงปัจจัยหลักที่กำหนดคำตอบสำหรับคำถามว่าอากาศมีน้ำหนักเท่าใด คุณก็สามารถเข้าใจได้ว่าอากาศใดจะหนักที่สุด กล่าวโดยย่อ อากาศเย็นมีน้ำหนักมากกว่าอากาศอุ่นเสมอ เนื่องจากอากาศเย็นมีความหนาแน่นต่ำกว่า และอากาศแห้งมีน้ำหนักมากกว่าอากาศชื้น ข้อความสุดท้ายที่เข้าใจง่าย เนื่องจากมวลโมลาร์ของอากาศคือ 29 กรัม/โมล และมวลโมลาร์ของโมเลกุลน้ำคือ 18 กรัม/โมล ซึ่งน้อยกว่า 1.6 เท่า

การกำหนดน้ำหนักของอากาศภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด

ตอนนี้ มาแก้ปัญหาเฉพาะหน้ากัน มาตอบคำถามว่าอากาศมีน้ำหนักเท่าไหร่มีปริมาตร 150 ลิตรที่อุณหภูมิ 288 K ให้พิจารณาว่า 1 ลิตรเป็นพันของลูกบาศก์เมตรนั่นคือ 1 ลิตร=0.001 ม.3. สำหรับอุณหภูมิ 288 K นั้นสอดคล้องกับ 15 ° C นั่นคือเป็นเรื่องปกติสำหรับหลายภูมิภาคของโลกของเรา ขั้นตอนต่อไปคือการกำหนดความหนาแน่นของอากาศ มีสองวิธีในการทำเช่นนี้:

คำนวณโดยใช้สูตรข้างต้นสำหรับความสูง 0 เมตรจากระดับน้ำทะเล ในกรณีนี้ จะได้ค่า ρ=1.227 กก./ม.3
ดูตารางด้านบนซึ่งอ้างอิงจาก T₀=288.15 K ตารางมีค่า ρ=1.225 กก./ม. ^3.

ดังนั้นเราจึงได้ตัวเลขสองตัวที่เข้ากันได้ดี ความแตกต่างเล็กน้อยเกิดจากข้อผิดพลาด 0.15 K ในการกำหนดอุณหภูมิ และความจริงที่ว่าอากาศยังไม่ใช่อุดมคติ แต่เป็นก๊าซจริง ดังนั้น สำหรับการคำนวณเพิ่มเติม เราจะหาค่าเฉลี่ยของค่าที่ได้รับทั้งสองค่า นั่นคือ ρ=1, 226 kg/m3.

ตอนนี้ โดยใช้สูตรสำหรับความสัมพันธ์ระหว่างมวล ความหนาแน่น และปริมาตร เราจะได้ m=ρV=1.226 kg/m³0.150 m3^{=0.1839 กก. หรือ 183.9 กรัม}

คุณสามารถตอบได้ว่าอากาศหนึ่งลิตรมีน้ำหนักเท่าใดภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด: m=1.226 kg/m³0.001 m^{3=0.001226 กก. หรือประมาณ 1.2 กรัม}

ทำไมเราไม่รู้สึกว่าอากาศกำลังกดทับเรา

อากาศ 1 ลบ.ม. หนักเท่าไหร่ ? น้อยกว่า 1 กิโลกรัม ตารางบรรยากาศทั้งหมดของโลกของเราสร้างแรงกดดันต่อบุคคลที่มีน้ำหนัก 200 กิโลกรัม! นี่เป็นมวลอากาศที่มากพอที่จะสร้างปัญหาให้กับบุคคลได้ ทำไมเราไม่รู้สึก เหตุ ๒ ประการ คือ ประการแรก ความดันภายในตัวเขาเองด้วย ซึ่งต้านความดันบรรยากาศภายนอก และประการที่สอง อากาศเป็นก๊าซ ออกแรงดันไปทุกทิศทางเท่าๆ กัน กล่าวคือ ความดันทุกทิศทุกทางสมดุลกัน อื่นๆ