Относительная влажность.

ГЛАВА 7.3

Воздух. ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ

Воздух

Общая масса атмосферы равна 5,2·10¹⁵ т, а долю каждого человека приходится более 1,5 млн. т воздуха. Около 90% массы атмосферы заключено в слое высотой до 16 км.

В древности воздух считался индивидуальным веществом. По учению греческого философа Анаксимена, воздух является началом всего сущего, а позднее он стал рассматриваться в качестве одного из основных элементов природы. То обстоятельство, что воздух имеет массу, было известно уже Аристотелю.

Первые указания на сложность состава воздуха имеются в сочинениях древних китайских химиков. Из европейцев такое мнение впервые высказал Леонардо да Винчи (конец XV века). Оно было подтверждено опытным путём и стало общепринятым лишь около XVIII века.

Воздух имеет сложный состав. Его основные составные части можно подразделить на три группы: постоянные, переменные и случайные. К первым относятся кислород (около 21% по объёму), азот (около 78%) и так называемые инертные газы (около 1%). Содержание этих составных частей практически не зависит от того, в каком месте земного шара взята проба сухого воздуха.

Ко второй группе относятся углекислый газ (0,02-0,04%) и водяной пар (до 3%). Содержание случайных составных частей зависит от местных условий: вблизи металлургических заводов к воздуху часто бывают примешаны заметные количества сернистого газа, в местах, где происходит распад органических остатков, — аммиака и т. д. Помимо различных газов, воздух всегда содержит большее или меньшее количество пыли.

Воздух содержит следы (т. е. ничтожные количества) озона, водорода, метана, аммиака, оксидов азота и угарного газа.

Общая запылённость воздуха возрастает.

Соотношение между постоянными составными частями воздуха в нижних слоях атмосферы с высотой почти не меняется.

Как говорилось ранее, химический состав воздуха до высоты 100 км существенно не меняется. Несколько выше атмосфера также состоит главным образом из азота и кислорода. Но на высотах 100—110 км, под действием ультрафиолетовой радиации солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы и появляется атомарный кислород. Выше 110—120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400—500 км газы, составляющие атмосферу, также находятся в атомарном состоянии.

Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Хотя атмосфера простирается вверх на сотни километров, основная масса ее размещается в довольно тонком слое, прилегающем к поверхности земли в самых нижних ее частях.

Так, в слое между уровнем моря и высотами 5—6 км сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0—16 км —90%, а в слое 0—30 км — 99%. Такое же быстрое уменьшение массы воздуха происходит выше 30 км. Если вес 1 м³ воздуха у поверхности земли равен 1033 г, то на высоте 20 км он равен 43 г, а на высоте 40 км лишь 4 г.

На высоте 300—400 км и выше воздух настолько разрежен, что в течение суток плотность его изменяется во много раз. Исследования показали, что это изменение плотности связано с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха около полудня, наименьшая — ночью. Объясняется это отчасти тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца.

Изменение температуры воздуха с высотой происходит также неодинаково. По характеру изменения температуры с высотой атмосфера делится на несколько сфер, между которыми располагаются переходные слои, так называемые паузы, где температура с высотой мало изменяется.

Здесь приведены наименования и главные характеристики сфер и переходных слоев.

Абсолютная влажность.

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха (плотность водяного пара).

или , где

m – масса водяного пара, V – объём воздуха, в котором содержится водяной пар. Р – парциальное давление водяного пара, μ – молярная масса водяного пара, Т – его температура.

Так как плотность пропорциональна давлению, то абсолютную влажность можно характеризовать и парциальным давлением водяного пара.

Относительная влажность.

На степень влажности или сухости воздуха влияет не только количество водяных паров, содержащихся в нём, но и температура воздуха. Даже если количество водяного пара одинаково, при более низкой температуре воздух будет казаться более влажным. Вот почему в холодном помещении возникает ощущение сырости.

Относительная влажность- относительная величина, которая показывает, сколько влаги содержится в воздухе по отношению к максимально возможному количеству водяного пара в этой воздушной массе при конкретной температуре. Измеряется относительная влажность воздуха в процентах (%). И именно этот процентный показатель мы часто можем узнать в прогнозах погоды и метеосводках.

Вакуум. Жидкий воздух

В Лабораториях вакуум («пустота»), при котором столкновения молекул между собой уже сравнительно редки, соответствует давлению примерно в 0,13 Па. Даже с помощью самых совершенных методов современной техники не удается достигнуть вакуума, при котором в кубическом сантиметре газа оставалось бы менее 1000 частиц.

Масса литра воздуха при нормальных условиях (1,293 г), а его средняя молярная масса воздуха равна 22,4·1,293 = 29 г/моль.

При достаточном охлаждении воздух переходит в жидкое состояние. Жидкий воздух можно довольно долго сохранять в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопередачи выкачан воздух. Подобные сосуды используются, например, в термосах.

Свободно испаряющийся при обычных условиях жидкий воздух имеет температуру около -190 °С. Состав его непостоянен, так как азот улетучивается быстрее кислорода. По мере удаления азота цвет жидкого воздуха изменяется от голубоватого до бледно-синего (цвет жидкого кислорода).

Трудно сжижаемые газы научились сжижать используя их свойства охлаждаться при расширении, если газ многократно сжимать и выпускать его в большой сосуд, то он будет охлаждаться и когда его температура достигнет критической он начнет сжижаться.

Технология получения сжиженного воздуха довольно проста. Сначала смесь газов очищают от пыли, частиц воды, а также от углекислого газа. Есть еще одна важная составляющая, без которой не получится произвести жидкий воздух, - давление. С помощью компрессора воздух сжимают до 200-250 атмосфер, одновременно охлаждая его водой. Далее воздух идет через первый теплообменник, после чего делится на два потока, больший из которых идет в детандер. Этим термином называют поршневую машину, которая работает за счет расширения газа. Она преобразовывает потенциальную энергию в механическую, и газ охлаждается, потому что совершает работу.

Далее воздух, омыв два теплообменника и тем самым охладив второй поток, идущий навстречу, выходит наружу и собирается в термосе. –

В 1938 г. П. Л. Капицей был разработан метод получения жидкого воздуха при низком давлении — всего 5-6 атм. Основной особенностью этого метода является замена поршневых механизмов компрессора и детандера турбинными.

Применение

Сам жидкий воздух как таковой нигде не используется, это промежуточный продукт в получении чистых газов. Принцип выделения составляющих основан на разнице в кипении составных частей смеси: кислород закипает при —183°, а азот при —196°. Температура жидкого воздуха ниже двухсот градусов, и нагревая его, можно производить разделение. Когда жидкий воздух начинает медленно испаряться, первым улетучивается азот, а после того, как его основная часть уже испарилась, при температуре —183° закипает кислород. Дело в том, что пока азот остается в смеси, она не может продолжить нагреваться, даже если использовать дополнительный подогрев, но как только большая часть азота улетучится, смесь быстро достигнет температуры кипения следующей части смеси, то есть кислорода. -

Сжатый воздух хранят в стальных балло­нах, рассчитанных на давление 150 атм. По дей­ствующим техническим условиям баллоны эти должны иметь черную окраску с белой надписью: «Воздух сжатый».

Химические реакции при температуре жидкого воздуха вообще очень сильно замедляются. Однако благодаря большой концентрации в нём кислорода (концентрацией называется количество вещества в единице объёма или массы), смешанные с жидким воздухом горючие вещества горят гораздо энергичнее, чем в обычных условиях. Например, смоченная жидким воздухом вата сгорает со вспышкой подобно бездымному пороху.