Etanșeitatea la aer

Densitatea unei substanțe este definită ca masa ei pe unitate de volum.
Densitatea aerului indică câtă masă (greutate) de aer în kg este conținută într-un metru cub (kg/m 3). Densitatea aerului este deci coeficientul de masă și volum de aer. Se dă în kilograme pe metru cub. Densitatea aerului este la o presiune de 1013,25 hPa (presiunea medie a aerului la nivelul mării) și la o temperatură de +15 ° C (= atmosferă standard) 1,225 kg/m3. În comparație, de ex. CO2 o densitate de 1,977 kg/mі.

Un metru cub de aer conține un număr inimaginabil de molecule de aer. Acest lucru este valabil mai ales pentru o coloană de aer care se extinde de la punctul de măsurare de la sol până la capătul exterior al atmosferei. Masa și, astfel, greutatea fiecărei molecule de aer individuale este la rândul ei inimaginabil de mică, dar gravitația acționează asupra fiecărui individ. Acest lucru conferă aerului o greutate și apasă pe suprafață cu forța acestei greutăți. Aceasta este presiunea aerului. Greutatea coloanei de aer se datorează, așadar, greutății moleculelor de aer pe care le conține.

Întreaga greutate a aerului de mai sus se bazează pe un metru cub de aer de pe sol. În același timp, aerul este un amestec de gaze foarte compresibil. Cu alte cuvinte: Acest metru cub de aer este comprimat de greutatea masei de aer de deasupra acestuia mai mult de un metru cub la o înălțime mai mare, deoarece coloana de aer rămasă deasupra acestui pachet de aer este mai scurtă și, prin urmare, are o greutate mai mică. Prin urmare, aerul este mai puternic comprimat prin propria greutate mai jos decât în straturile superioare. Ca urmare a acestei compresii mai mari, un metru cub aproape de sol conține mai multe molecule de aer decât la o altitudine mai mare. Aerul din apropierea solului este „mai dens”.

Acest lucru este prezentat în diagrama din dreapta.

În schimb, apa lichidă nu este compresibilă. Densitatea apei este deci independentă de înălțimea coloanei de apă de deasupra acesteia. Prin urmare, presiunea scade liniar cu înălțimea.

Moleculele de aer din metrul nostru cub sunt, prin urmare, strânse (comprimate) pe sol și numărul lor este în mod corespunzător ridicat. Deci aerul este foarte dens. Densitatea aerului este mare la sol și scade odată cu creșterea înălțimii.

Cu cât este mai mult aer peste metrul nostru cub, cu atât este mai mare presiunea atmosferică. Deoarece presiunea aerului reprezintă greutatea coloanei de aer de încărcare, trebuie să scadă odată cu altitudinea, deoarece cu cât mergi mai sus, cu atât ai mai puțin aer deasupra ta. Aceasta înseamnă, de asemenea, că această greutate sau presiunea exercitată de coloana de aer variază în funcție de punctul de măsurare respectiv, în special înălțimea sa. Densitatea aerului scade astfel odată cu creșterea înălțimii în funcție de o funcție logaritmică. Prin urmare, scăderea densității este mult mai rapidă în straturile inferioare de aer decât în straturile superioare.

De regulă, pentru straturile inferioare ale atmosferei, o modificare a densității aerului de 1% necesită o schimbare a temperaturii la sol de 3 ° C sau o modificare a presiunii aerului de 10 hPa.

Pe scurt, se poate spune:

Presiunea ridicată a aerului determină o densitate mare a aerului;
presiunea scăzută a aerului are ca rezultat densitatea scăzută a aerului;
La altitudini mai mari există o presiune mai mică a aerului și, prin urmare, o densitate mai mică a aerului;
La altitudini mai mici există o presiune mai mare a aerului și, prin urmare, o densitate mai mare a aerului.

sau cu alte cuvinte:

Presiunea aerului și densitatea aerului sunt proporționale între ele.

Diagrama opusă arată această relație.

Densitatea aerului se schimbă în funcție de înălțime. După cum am văzut, acest lucru se aplică și presiunii aerului. La o temperatură constantă, presiunea scade la fiecare 5,5 km până la aproximativ jumătate din valoarea sa anterioară. La o altitudine de 18 km presiunea aerului este doar o zecime, la 55 km o miime și la 110 km doar o milionime din valoarea terenului.

În același timp, și densitatea aerului scade. La o înălțime de aproximativ 12 km este un sfert, la 18 km o zecime și la aproximativ 30 km o sutime din valoarea terenului. Deoarece aerul este atât de compresibil, mai mult de 50% din atmosfera totală este sub aproximativ 5,5 km. 99,9% din masa atmosferică totală este sub stratopauză.

Jumătate din masa de aer este, prin urmare, sub o altitudine de aproximativ 5.500 m. Deja 75% din masa totală a atmosferei este sub 10500 m. Deși diferența de înălțime este aproximativ aceeași, la acest etaj 2 există doar 1/4 din masa totală a atmosferei și în următorul este doar 1/8.

În exosferă densitatea devine extrem de mică. Particulele de gaz, strict vorbind doar cele mai ușoare gaze hidrogen și heliu, pot acum să scape din câmpul gravitațional al Pământului datorită energiei cinetice ridicate și a masei mici.

Densitatea aerului depinde de temperatură și de presiunea aerului .
După cum s-a văzut, densitatea aerului scade odată cu altitudinea. Este redus în atmosfera standard până la nivelul zonei de 500 hPa (aproximativ 5500 m) la 0,688 kg pe m, adică densitatea scade - atunci când presiunea aerului este înjumătățită - în proporție mai mică decât presiunea. Motivul pentru aceasta este scăderea temperaturii cu înălțimea, care contracarează o scădere liniară a densității. Cu toate acestea, această abatere este mică.

În plus, densitatea aerului este, de asemenea, dependentă într-o măsură considerabilă de temperatura aerului. O privire la următorul exemplu de calcul arată acest lucru:

Următoarea formulă poate fi utilizată pentru a calcula densitatea aerului, prin care presiunea aerului, temperatura și compoziția aerului sunt incluse în formulă conform așteptărilor:

Ne asumăm atmosfera standard. Conform atmosferei standard, aerul nu conține vapori de apă, deci trebuie utilizată constanta de gaz pentru aerul uscat.
Constanta gazului pentru aerul uscat este de 287 J/(kg K).

exemplu:

0 ° C, 1013 hPa => densitatea aerului = 101300 Pa: (287 J/(kg · K) · 273,15 K) = 1,292 kg/mі
25 ° C, 1013 hPa => densitatea aerului = 101300 Pa: (287 J/(kg K) 298,15 K) = 1,184 kg/mі

Din aceste două exemple ușor simplificate puteți vedea imediat că densitatea aerului este puternic dependentă de temperatură.

La 20 ° C densitatea aerului este de numai 1,2041 kg/m3, deci aerul este mai puțin dens, adică este „mai ușoară”. Cu toate acestea, la o temperatură de 0 ° C, densitatea aerului fără vapori de apă este de 1,293 kg/m, pachetul de aer este „mai greu”. Atmosfera standard este standardul pentru comparație.

În plus, densitatea aerului este redusă considerabil din cauza unei proporții tot mai mari de vapori de apă.
De ce este așa este dat mai jos pentru cuvântul „vapori de apă”.

În special în cazul gazelor, densitatea nu depinde doar de presiune, ci și de temperatură.
Moleculele unui gaz sunt în mișcare neregulată constantă (mișcare moleculară browniană), ceea ce duce la coliziuni constante între ele și cu mediul.
Energia cinetică a unei molecule rezultă din masa sa μ și viteza medie v și se schimbă numai cu temperatura.

Dacă temperatura crește într-un anumit volum de aer, energia cinetică a moleculelor și, astfel, forța de impact a acestora crește
=> Presiunea și densitatea cresc.
O creștere a volumului înseamnă mai puține molecule pe unitate de volum și, prin urmare, o reducere a numărului de impacturi pe unitate de timp
=> Presiune, densitate și cădere de temperatură.

Această dependență reciprocă poate fi văzută bine folosind ecuația gazului ideal:

ρ (rho): densitatea unui corp în kg/mі
p: presiunea aerului în hPa
R: constantă specifică de gaz, dimensiune fixă
T: temperatura în ° K (Kelvin)

Aceste relații pot fi reprezentate destul de bine folosind modelul de particule.

Principiul arhimedic (flotabilitate)

Pentru a înțelege mai bine acest principiu, să efectuăm mai întâi un experiment de gândire (ignorând greutatea plicului balon):

Luăm 3 baloane identice și umplem primul cu aer cald, al 2-lea cu aer rece și al 3-lea cu aer normal. Când eliberăm baloanele, observăm că balonul umplut cu aer cald se ridică, balonul umplut cu aer rece se scufundă la sol și balonul umplut cu aer normal plutește în aer.

De ce arată baloanele acest comportament diferit?

În baloanele noastre, forța de greutate și volumul sunt aceleași în toate cele 3 cazuri, dar densitatea aerului este diferită, deoarece cu cât aerul este mai cald, cu atât densitatea acestuia este mai mică, așa cum sa explicat deja mai sus. Sau altfel spus: aerul mai rece are o densitate mai mare, aerul cald o densitate mai mică. Acest lucru este prezentat în ilustrația din dreapta.

Pentru experimentul nostru de gândire, acest lucru înseamnă că balonul cu aer rece este cel mai greu, cel umplut cu aer cald este cel mai ușor, în timp ce greutatea balonului umplut cu aer ambiant corespunde exact cu cea a aerului ambiant. Consecințele sunt clare:

În termeni mai generali, aceasta înseamnă:

Corpurile, a căror densitate este mai mică decât cea a mediului înconjurător, cresc.
Corpurile, a căror densitate este mai mare decât cea a mediului înconjurător, se scufundă.
Dacă densitatea corpului și a mediului înconjurător este aceeași, corpul plutește.

Acest lucru este cunoscut sub numele de Principiul arhimedean.

Toată lumea știe asta dintr-o bucată de lemn care plutește pe apă, spre deosebire de o piatră care se scufundă.

Aerul umed, adică De altfel, aerul care conține vapori de apă are doar aproximativ 62,5% din greutatea aerului uscat. Prin urmare, un pachet de aer umed dezvoltă flotabilitate în aerul ambiant uscat.

Dacă acum privim ascensiunea balonului, observăm că cu cât merge mai sus, cu atât devine mai mare. În general, acest lucru înseamnă: o coletă aeriană în creștere se extinde.

Știm deja motivul pentru acest lucru: Deoarece presiunea aerului scade odată cu altitudinea, balonul intră în zone cu presiune externă mai mică, adică din cauza suprapresiunii din ea, se extinde. Știm și ce se întâmplă în continuare din viața de zi cu zi. Dacă lăsăm aerul să scape dintr-o anvelopă pentru bicicletă sau mașină, aerul care a fost anterior sub suprapresiune în anvelopă se va simți destul de rece după părăsirea supapei:

Pe măsură ce aerul se extinde în afara anvelopei, acesta se răcește.
Dacă apăsați aerul împreună, cum ar fi B. într-o pompă de aer la umflarea unei anvelope, aerul se încălzește.

Putem rezuma experimentul nostru de gândire după cum urmează:

Aerul care se ridică intră sub presiune externă mai mică, se extinde și se răcește.
Aerul care cade intră sub presiune ambiantă mai mare, este comprimat și încălzit.

Acest proces, care este important pentru atmosferă, este cunoscut sub numele de schimbare de temperatură adiabatică. Termenul "adiabatic" implică faptul că schimbările de temperatură au loc fără adăugarea sau retragerea căldurii din pachetul de aer în cauză. Răcirea adiabatică la ascensiune este opusă încălzirii adiabatice a aerului la coborâre, deci procesul este reversibil.

Dacă aerul dintr-un balon închis este încălzit, energia cinetică a moleculelor de aer crește, au nevoie de mai mult spațiu pentru a putea procesa această energie. Presiunea din balon crește, aerul și balonul se extind. Când se răcește, aerul și astfel balonul se vor contracta deoarece moleculele încetinesc, ocupă mai puțin spațiu și, prin urmare, presiunea din balon scade.

La presiune constantă, densitatea gazelor scade odată cu creșterea temperaturii.
Dacă aerul încălzit este înconjurat numai de aer, acesta va înlocui aerul din jur. Ca urmare, cantitatea de aer dintr-un „pachet de aer” fictiv scade deoarece aerul încălzit poate scăpa din pachetul (deschis).

Un exemplu frumos în acest sens este balonul cu aer cald:

Dacă este încălzit, aerul din interior se extinde. Deoarece volumul este limitat de cochilie, excesul de aer scapă. Prin urmare, aerul din balon este mai puțin dens și, prin urmare, mai ușor decât aerul din afara balonului. Diferența de densitate între aerul mai rece din exterior și aerul mai cald din balon creează o forță de flotabilitate:

Balonul se ridică.

În atmosfera liberă, fiecare creștere a temperaturii duce, prin urmare, la o scădere a densității acestui aer încălzit. Deoarece aerul este un foarte rău conductor de căldură, energia furnizată nu poate fi eliberată în mediu. Rămâne prinsă în „pachetul de aer” încălzit. Dacă sistemul ar fi închis, presiunea ar crește acum ca urmare a alimentării cu energie. Cu toate acestea, în atmosfera liberă, coletul de aer se poate extinde, deplasând astfel aerul ambiental și procesând astfel energia absorbită. Ca rezultat, acum există mai puține molecule de aer într-un metru cub din pachetul nostru de aer, aerul este „mai subțire”, adică mai puțin dens și, prin urmare, mai ușor decât aerul din jur. Ca un inel de înot în apă, coletul nostru aerian este plutitor, adică crește până își pierde din nou energia mai mare ca urmare a creșterii volumului. La un moment dat, pachetul este la fel de cald și dens ca aerul din jur, astfel încât ascensiunea s-a terminat.

Acest proces se numește termic.

Mai multe detalii despre aceste relații și fundalul fizic pot fi găsite în capitolul despre adiabatice.

Metoda pachetului de aer este explicată în capitolul echilibru.

Condițiile de bază pentru crearea de flotabilitate și termice sunt completate de un factor foarte practic: vaporii de apă.
Bazele privind umiditatea aerului și vaporii de apă pot fi găsite în capitolul despre umiditatea aerului.

Conform legii gazelor ideale, un metru cub de aer conține un anumit număr de molecule și fiecare moleculă are o anumită greutate. Aerul constă în cea mai mare parte din molecule de azot (N2) și într-o măsură mai mică din molecule de oxigen (O2) și din alte molecule, cum ar fi vaporii de apă, în special. Deoarece densitatea aerului este greutatea moleculelor de aer împărțite la volum, trebuie să luăm în considerare greutatea fiecăreia dintre moleculele din aer. Azotul are o greutate atomică de 14, deci o moleculă de N2 are o greutate de 28. Pentru oxigen greutatea atomică este 16, astfel încât o moleculă de O2 are o greutate de 32. Acum, pentru molecula de apă, H2O, care, așa cum arată formula, constă din doi atomi de hidrogen și unul de oxigen. Hidrogenul (H) are o greutate atomică de 1, deci molecula H2O cântărește doar 18.

Trebuie remarcat faptul că o moleculă de apă are o greutate semnificativ mai mică decât o moleculă de azot sau o moleculă de oxigen. În același timp, un anumit volum de aer conține doar un anumit număr de molecule. Dacă conține molecule de apă mai ușoare în loc de aer uscat, va cântări mai puțin decât același volum fără molecule de apă. Așadar, vaporii de apă sunt mai ușori decât aerul uscat. Prin urmare, aerul umed, adică Aer cu o proporție de vapori de apă, mai ușor decât aerul uscat. Acest fapt se explică de la sine: vaporii de apă sunt creați în atmosferă prin evaporarea apei din plante, sol sau din suprafețele deschise ale apei. Dacă aerul umed ar fi mai greu decât aerul la fel de cald și uscat, ar trebui să rămână pe sol. Apoi, saturația, starea în care aerul nu mai poate absorbi apă, ar fi atinsă foarte repede și evaporarea s-ar încheia. Dar acest lucru nu este cazul în natură. Mai degrabă, aerul umed se ridică până la vârf, chiar și fără o diferență de temperatură față de aerul uscat din jur, chiar și din cauza diferenței de greutate, începând astfel convecția.
Mai multe despre acest lucru în capitolul „Apă”.

Dacă se adaugă vapori de apă, densitatea aerului este redusă astfel încât constanta de gaz „R” din formula legii gazului ideal să asume o valoare mai mare. Trebuie remarcat faptul că valoarea constantei gazului se aplică numai aerului uscat, adică fără a lua în considerare vaporii de apă care sunt întotdeauna conținuți în atmosfera liberă. Aceasta corespunde specificației atmosferei standard, pentru care este cunoscută o umiditate relativă de 0%. Ecuația gazului prezentată reprezintă astfel diferite componente ale așa-numitelor variabile de stare atmosferică - aici: presiunea aerului, temperatura aerului și densitatea aerului - într-un context; dacă sunt cunoscute două dintre aceste cantități, a treia poate fi calculată. Prin urmare, densitatea aerului uscat depinde doar de presiunea aerului și de temperatura aerului. Apropo, constanta de gaz pentru aerul uscat este de 287 J/(kg K).

Deci aerul umed este mai puțin dens.

Exemplu:
Din formula de ridicare se știe că ridicarea unei aripi este direct proporțională cu densitatea aerului. Dacă o anumită aripă la nivelul mării și în condiții standard, unde densitatea este de 1.225 kg/m 3, poate ridica 1.500 kg, de exemplu, cât poate ridica aripa într-o zi caldă de vară în Kempten când temperatura aerului este de 35 ° C, presiunea aerului este de 828 hPa și punctul de rouă este de 19,4 ° C?
Răspunsul este de aproximativ 1.134 kg.

Aerul umed este deci mai puțin „stabil”, adică În aerul umed, aeronava este mai puțin eficientă din punct de vedere aerodinamic, deci este mai puțin ridicată.

Cu toate acestea, umiditatea nu afectează doar comportamentul aerodinamic al aeronavei, ci strict reduce performanța motorului. Cu toate acestea, în acest sens, influența umidității aerului are o importanță secundară doar în comparație cu alte modificări ale densității aerului și, prin urmare, poate fi neglijată în mare măsură în practică.