Зміст
Ми рідко замислюємося над тим, що повітря має масу. Але кожен кубометр повітря в кімнаті важить понад кілограм — і ця маса постійно змінюється залежно від температури, вологості та висоти над рівнем моря.
Густина повітря — параметр, який активно використовують у фізиці, хімії, вентиляційних розрахунках і навіть у повітроплаванні. Розберемо, що це таке, яке значення вважається нормальним і як вона залежить від умов.
Густина повітря — що це таке
Густина повітря — це фізична величина, що показує масу повітря в одиниці об’єму. Простіше кажучи: скільки кілограмів важить один кубометр повітря за певних умов.
Позначають густину повітря грецькою літерою ρ. Основна одиниця вимірювання — кг/м³. У хімії та деяких технічних розрахунках використовують також г/л або г/см³.
Густину повітря не можна назвати постійною величиною — вона змінюється разом із температурою, тиском і вологістю. Саме тому в розрахунках завжди вказують умови, при яких наведено те чи інше значення.
Нормальна густина повітря: що означає 1,29 кг/м³
Густина повітря за нормальних умов — це значення при температурі 0°C і атмосферному тиску 101 325 Па. За цих умов густина повітря дорівнює 1,293 кг/м³.
Це значення — довідкове. Саме його використовують у фізичних і хімічних розрахунках, коли потрібно знати нормальну густину повітря без уточнення конкретної температури.
Що означає густину повітря 1,29 кг/м³: один кубометр сухого повітря при 0°C і нормальному тиску важить 1,29 кг. Це в 773 рази менше, ніж маса такого самого об’єму води при 4°C (1000 кг/м³).
Від чого залежить густина повітря
Густина повітря — величина непостійна. На неї впливають три основні фактори.
Температура — найвагоміший чинник. При нагріванні молекули повітря рухаються швидше і займають більший об’єм. Густина теплого повітря менша, ніж холодного. Саме тому тепле повітря піднімається вгору — воно легше. На цьому принципі працюють повітряні кулі і виникає природна конвекція в приміщеннях.
Атмосферний тиск — чим вищий тиск, тим щільніше «упаковані» молекули, тим більша густина повітря. З підняттям на висоту тиск падає — і густину повітря зменшується разом із ним.
Вологість — вологе повітря трохи легше за сухе при однакових температурі та тиску. Це пов’язано з тим, що молекула водяної пари H₂O легша за «середню» молекулу сухого повітря. Тому густина насиченого повітря при +20°C становить близько 1,178 кг/м³, а густину сухого повітря при тих же умовах — 1,205 кг/м³.
Густину повітря більша за густину води — правда чи міф
Ні. Густина повітря при нормальних умовах — близько 1,29 кг/м³. Густина води при +4°C — 1000 кг/м³. Тобто вода важча за повітря приблизно в 773 рази. Твердження про те, що густина повітря більша за густину води, є помилковим.
Таблиця густини повітря від температури
Густина повітря від температури змінюється помітно. Ось значення для сухого повітря при нормальному атмосферному тиску:
| Температура (°C) | Густина повітря (кг/м³) |
|---|---|
| −40 | 1,514 |
| −20 | 1,395 |
| 0 | 1,293 |
| +10 | 1,247 |
| +20 | 1,205 |
| +25 | 1,185 |
| +40 | 1,127 |
| +60 | 1,060 |
| +100 | 0,946 |
З таблиці видно пряму залежність: густину повітря при температурі 0 — 1,293 кг/м³, а густину повітря при температурі 20 градусів — вже 1,205 кг/м³. Різниця складає майже 7%.
Саме ця різниця густини теплого і холодного повітря лежить в основі роботи систем природної вентиляції: холодне важче повітря опускається вниз, тепле легше піднімається вгору.
Середня та стандартна густина повітря
Середня густина повітря на рівні моря, яку прийнято за стандарт відповідно до Міжнародної стандартної атмосфери, становить 1,2255 кг/м³. Це значення відповідає температурі +15°C і тиску 101 330 Па.
Яка густина повітря в різних шарах атмосфери — питання окреме. З висотою вона стрімко зменшується. На висоті 10 км (крейсерський політ авіалайнера) густину повітря приблизно в 3–4 рази менша, ніж на поверхні. На висоті 100 км вона практично нульова.
Шар атмосфери, у якому густина повітря найвища — тропосфера, нижній шар атмосфери від поверхні Землі до висоти 10–12 км. Саме тут зосереджено близько 80% всієї маси атмосферного повітря.
Відносна густина повітря в хімії
У хімії активно використовують поняття відносна густина. Це безрозмірна величина, яка показує, у скільки разів один газ важчий або легший за інший.
Відносна густина за повітрям позначається D(пов) і обчислюється за формулою:
D(пов) = M(газу) / M(пов)
де M(пов) — середня молярна маса повітря, яка дорівнює 29 г/моль.
Якщо відносна густина газу за повітрям більша за 1 — газ важчий за повітря. Якщо менша — легший.
Відносна густина повітря за воднем розраховується аналогічно:
D(H₂) = M(газу) / M(H₂) = M(газу) / 2
Наприклад, відносна густина повітря за воднем дорівнює 29 / 2 = 14,5. Це означає, що повітря в 14,5 разу важче за водень.
Відносна густина повітря за киснем:
D(O₂) = 29 / 32 ≈ 0,91
Тобто повітря трохи легше за чистий кисень — що логічно, адже воно на 78% складається з легшого азоту.
Формула густини повітря
Загальна формула густини повітря як фізичної величини:
ρ = m / V
де:
- ρ — густина повітря (кг/м³);
- m — маса порції повітря (кг);
- V — об’єм цієї порції (м³).
Для розрахунку густини повітря при конкретній температурі використовують формулу, що враховує температуру і тиск:
ρ = 1,293 × 273 / (273 + t) × P / 101325
де t — температура в °C, P — тиск у Па.
Де використовують значення густини повітря
Густину повітря враховують у багатьох практичних задачах:
- у вентиляційних розрахунках — щоб визначити витрату і швидкість руху повітря в каналах;
- в аеродинаміці — підйомна сила крила залежить від густини повітря;
- у повітроплаванні — куля або дирижабль злітають, коли густину газу всередині менша за густину навколишнього повітря;
- у хімії — при визначенні молярних мас газів через відносну густину за повітрям;
- у кліматотехніці — густина повітря впливає на розрахунок теплових навантажень і продуктивності обладнання.
«Повітря — це океан, на дні якого ми живемо» — Еванджеліста Торрічеллі
Густину повітря — не абстрактна шкільна величина, а параметр, який постійно впливає на реальні процеси навколо нас. Від нього залежить, як працює вентиляція в будинку, чому тепле повітря піднімається до стелі, і як хіміки визначають масу невідомих газів. Знаючи нормальну густину повітря і те, як вона змінюється від температури, можна розуміти і пояснювати багато явищ — від роботи кондиціонера до польоту повітряної кулі.
