Vzduchotesnosť

Hustota látky je definovaná ako jej hmotnosť na jednotku objemu.
Hustota vzduchu udáva, koľko hmotnosti (hmotnosti) vzduchu v kg je obsiahnutých v jednom kubickom metri (kg/m 3). Hustota vzduchu je teda kvocientom hmotnosti a objemu vzduchu. Udáva sa v kilogramoch na meter kubický. Hustota vzduchu je pri tlaku 1013,25 hPa (stredný tlak vzduchu na úrovni mora) a pri teplote +15 ° C (= štandardná atmosféra) 1,225 kg/m3. Pre porovnanie, napríklad CO2 má hustotu 1,977 kg/m m.

Jeden meter kubický vzduchu obsahuje nepredstaviteľné množstvo molekúl vzduchu. To platí najmä pre stĺpec vzduchu, ktorý siaha od meracieho bodu na zemi k vonkajšiemu koncu atmosféry. Hmotnosť a teda aj váha každej jednotlivej molekuly vzduchu je opäť nepredstaviteľne nízka, na každú však pôsobí gravitácia. To dáva vzduchu váhu a silou tejto váhy tlačí na povrch. To je tlak vzduchu. Hmotnosť vzduchového stĺpca je preto spôsobená hmotnosťou molekúl vzduchu, ktoré obsahuje.

Celá hmotnosť vzduchu hore spočíva na jednom kubickom metri vzduchu na zemi. Vzduch je zároveň vysoko stlačiteľnou plynovou zmesou. Inými slovami: tento kubický meter vzduchu je stlačený viac hmotnosťou vzduchovej hmoty nad ním ako kubický meter vo vyššej výške, pretože zvyšný vzduchový stĺpec nad týmto vzduchovým paketom je kratší, a preto má menšiu hmotnosť. Vzduch je následne nižšie stlačený svojou vlastnou hmotnosťou ako vo vyšších vrstvách. Výsledkom tejto väčšej kompresie je, že jeden meter kubický blízko zeme obsahuje viac molekúl vzduchu ako vo vyššej nadmorskej výške. Vzduch pri zemi je „hustejší“.

To je znázornené na diagrame vpravo.

Naproti tomu tekutá voda nie je stlačiteľná. Hustota vody je teda nezávislá od výšky vodného stĺpca nad ním. Tlak preto klesá lineárne s výškou.

Molekuly vzduchu v našom kubickom metri sú preto pevne zabalené (stlačené) na zemi a ich počet je zodpovedajúcim spôsobom vysoký. Vzduch je teda veľmi hustý. Hustota vzduchu je na zemi vysoká a so zvyšujúcou sa nadmorskou výškou klesá.

Čím viac vzduchu je nad našim kubickým metrom, tým vyšší je atmosférický tlak. Pretože tlak vzduchu predstavuje hmotnosť stĺpca zaťažujúceho vzduchu, musí sa s nadmorskou výškou znižovať, pretože čím vyššie stúpate, tým menej vzduchu máte nad sebou. To tiež znamená, že táto hmotnosť alebo tlak vyvíjaný vzduchovým stĺpcom sa mení s príslušným meracím bodom, najmä s jeho výškou. Hustota vzduchu tak klesá s rastúcou výškou podľa logaritmickej funkcie. Pokles hustoty je preto oveľa rýchlejší v spodných vrstvách vzduchu ako vo vyšších vrstvách.

Ako pravidlo pre spodné vrstvy atmosféry platí, že zmena hustoty vzduchu o 1% si vyžaduje zmenu teploty na zemi o 3 ° C alebo zmenu tlaku vzduchu o 10 hPa.

V súhrne možno povedať:

Vysoký tlak vzduchu spôsobuje vysokú hustotu vzduchu;
nízky tlak vzduchu vedie k nízkej hustote vzduchu;
Vo vyšších nadmorských výškach je nižší tlak vzduchu a tým aj nižšia hustota vzduchu;
V nižších nadmorských výškach je vyšší tlak vzduchu a tým aj vyššia hustota vzduchu.

alebo inými slovami:

Tlak vzduchu a hustota vzduchu sú navzájom úmerné.

Tento vzťah ukazuje susedný diagram.

Hustota vzduchu sa mení v závislosti od výšky. Ako sme videli, platí to aj pre tlak vzduchu. Pri konštantnej teplote tlak klesá každých 5,5 km na zhruba polovicu svojej predchádzajúcej hodnoty. V nadmorskej výške 18 km predstavuje tlak vzduchu iba desatinu, pri 55 km tisícinu a pri 110 km iba milióntinu hodnoty pevniny.

Zároveň klesá aj hustota vzduchu. Vo výške okolo 12 km je to štvrtina, pri 18 km desatina a okolo 30 km stotina hodnoty pevniny. Pretože je vzduch tak stlačiteľný, viac ako 50% celkovej atmosféry je pod približne 5,5 km. 99,9% celkovej atmosférickej hmotnosti je pod stratopauzou.

Polovica vzdušnej hmoty je preto pod nadmorskou výškou asi 5 500 m. 75% z celkovej hmotnosti atmosféry je pod 10 500 m. Aj keď je výškový rozdiel približne rovnaký, iba 1/4 z nich je na tomto 2. poschodí Celková hmotnosť atmosféry a v ďalšej je to iba 1/8.

V exosfére je hustota extrémne nízka. Častice plynu, striktne povedané iba najľahšie plyny vodík a hélium, teraz môžu uniknúť z gravitačného poľa Zeme kvôli svojej vysokej kinetickej energii a svojej nízkej hmotnosti.

Hustota vzduchu závisí od teploty a tlaku vzduchu .
Ako je vidieť, hustota vzduchu klesá s nadmorskou výškou. V štandardnej atmosfére sa redukuje na úroveň oblasti 500 hPa (približne 5500 m) na 0,688 kg na mі, tj. Hustota klesá v pomere menšom ako je tlak, keď sa tlak vzduchu zníži na polovicu. Dôvodom je pokles teploty s výškou, ktorý pôsobí proti lineárnemu poklesu hustoty. Táto odchýlka je však malá.

Okrem toho hustota vzduchu závisí tiež do značnej miery od teploty vzduchu. Ukazuje to nasledujúci výpočet:

Nasledujúci vzorec možno použiť na výpočet hustoty vzduchu, pričom do vzorca je podľa očakávania zahrnutý tlak vzduchu, teplota a zloženie vzduchu:

Predpokladáme štandardnú atmosféru. Podľa štandardnej atmosféry vzduch neobsahuje žiadne vodné pary, preto sa musí použiť plynová konštanta pre suchý vzduch.
Plynová konštanta pre suchý vzduch je 287 J/(kg K).

príklad:

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

Z týchto dvoch mierne zjednodušených príkladov môžete okamžite vidieť, že hustota vzduchu silne závisí od teploty.

Pri 20 ° C je hustota vzduchu iba okolo 1,2041 kg/m3, takže vzduch je menej hustý, to znamená, že je „ľahší“. Pri teplote 0 ° C je však hustota vzduchu bez vodných pár 1,293 kg/m m, vzduchový balík je „ťažší“. Štandardná atmosféra je štandardom pre porovnanie.

Okrem toho sa hustota vzduchu výrazne znižuje zvyšujúcim sa podielom vodnej pary.
Prečo je to tak, je uvedené nižšie pre slovo „vodná para“.

Najmä v prípade plynov hustota nezávisí iba od tlaku, ale aj od teploty.
Molekuly plynu sú v neustálom neregulovanom pohybe (Brownov molekulárny pohyb), čo vedie k neustálym zrážkam medzi sebou navzájom a s prostredím.
Kinetická energia molekuly vyplýva z jej hmotnosti μ a jej strednej rýchlosti v a mení sa iba s teplotou.

Ak sa v danom objeme vzduchu zvýši teplota, zvýši sa kinetická energia molekúl a tým aj ich nárazová sila
=> Zvyšuje sa tlak a hustota.
Zvýšenie objemu znamená menej molekúl na jednotku objemu, a teda zníženie počtu nárazov na jednotku času
=> Tlak, hustota a pokles teploty.

Túto vzájomnú závislosť možno dobre vidieť pomocou rovnice ideálneho plynu:

ρ (rho): hustota tela v kg/mil
p: tlak vzduchu v hPa
R: konštanta špecifického plynu, stála veľkosť
T: teplota v ° K (Kelvin)

Tieto vzťahy je možné celkom dobre znázorniť pomocou časticového modelu.

Archimedov princíp (vztlak)

Aby sme tomuto princípu lepšie porozumeli, najskôr vykonajme myšlienkový experiment (ignorujeme váhu obálky balóna):

Vezmeme 3 rovnaké balóny a prvý naplníme teplým vzduchom, druhý studeným a tretí normálnym okolitým vzduchom. Keď balóny pustíme, pozorujeme, že balón naplnený teplým vzduchom stúpa, balón naplnený studeným vzduchom klesá k zemi a balón naplnený normálnym vzduchom pláva vo vzduchu.

Prečo balóny ukazujú toto odlišné správanie?

V našich balónoch sú gravitačná sila a objem rovnaké vo všetkých 3 prípadoch, ale hustota vzduchu je iná, pretože čím je vzduch teplejší, tým je jeho hustota nižšia, ako už bolo vysvetlené vyššie. Alebo inak: chladnejší vzduch má vyššiu hustotu, teplý nižší. To je znázornené na ilustrácii vpravo.

Pre náš myšlienkový experiment to znamená, že balón so studeným vzduchom je najťažší, ten naplnený teplým vzduchom je najľahší, zatiaľ čo hmotnosť balóna naplneného okolitým vzduchom je samozrejme úplne rovnaká ako hmotnosť okolitého vzduchu. Dôsledky sú zrejmé:

Všeobecnejšie to znamená:

Orgány, ktorých hustota je nižšia ako hustota okolitého média, stúpajú.
Telá, ktorých hustota je vyššia ako hustota okolitého média, klesajú.
Ak je hustota tela a okolitého média rovnaká, telo pláva.

Toto je známe ako Archimédov princíp.

Každý to vie z kusu dreva, ktorý pláva na vode, na rozdiel od kameňa, ktorý sa potápa.

Vlhký vzduch, to znamená vzduch, ktorý obsahuje vodné pary, má iba asi 62,5% hmotnosti suchého vzduchu. Balík vlhkého vzduchu preto vyvíja vztlak v suchom okolitom vzduchu.

Ak sa teraz niekto pozrie na výstup na balón, všimne si, že čím vyššie to ide, tým je to väčšie. Všeobecne to znamená: stúpajúca vzdušná parcela sa rozširuje.

Dôvod už vieme: Pretože tlak vzduchu klesá s nadmorskou výškou, balón prichádza do oblastí s nižším vonkajším tlakom, to znamená, že sa rozširuje v dôsledku pretlaku vo svojom vnútri. Vieme tiež, čo sa stane ďalej z každodenného života. Ak necháme uniknúť vzduch z pneumatiky bicykla alebo automobilu, vzduch, ktorý bol v pneumatike predtým pod pretlakom, je po opustení ventilu dosť studený:

Keď sa vzduch roztiahne mimo pneumatiku, ochladí sa.
Ak stlačíte vzduch spolu, ako napr B. vo vzduchovom čerpadle pri nafukovaní pneumatiky sa vzduch zahrieva.

Náš myšlienkový experiment môžeme zhrnúť takto:

Zvyšujúci sa vzduch prichádza pod nižší vonkajší tlak, expanduje a ochladzuje sa.
Padajúci vzduch prichádza pod vyšší okolitý tlak, je stlačený a zahrieva sa.

Tento proces, ktorý je dôležitý pre atmosféru, sa nazýva adiabatická zmena teploty. Termín „adiabatický“ znamená, že zmeny teploty prebiehajú bez toho, aby sa do uvažovaného vzduchového balíka dodávalo alebo odoberalo teplo. Adiabatické chladenie pri stúpaní je proti adiabatickému otepľovaniu vzduchu pri klesaní, takže proces je reverzibilný.

Ak sa vzduch v uzavretom balóniku zahreje, zvýši sa kinetická energia molekúl vzduchu a tie potrebujú viac priestoru na spracovanie tejto energie. Tlak v balóne sa zvyšuje, vzduch a balón sa rozširujú. Keď sa ochladí, vzduch a tým aj balón sa stiahnu, pretože molekuly spomaľujú, zaberajú menej miesta a preto tlak v balóne klesá.

Pri konštantnom tlaku hustota plynov klesá so zvyšujúcou sa teplotou.
Ak je ohriaty vzduch obklopený iba vzduchom, vytlačí okolitý vzduch. Vo výsledku sa množstvo vzduchu vo fiktívnom „vzduchovom obale“ znižuje, pretože ohriaty vzduch môže unikať z (otvoreného) obalu.

Pekným príkladom je teplovzdušný balón:

Ak je ohrievaný, vzduch vo vnútri sa rozširuje. Pretože objem je obmedzený škrupinou, prebytočný vzduch uniká. Vzduch v balóne je preto menej hustý a preto ľahší ako vzduch mimo balóna. Rozdiel v hustote medzi chladnejším vonkajším vzduchom a teplejším vzduchom v balóne vytvára vztlakovú silu:

Balón sa dvíha.

Vo voľnej atmosfére preto každé zvýšenie teploty vedie k zníženiu hustoty tohto ohriateho vzduchu. Pretože vzduch je veľmi zlým vodičom tepla, dodaná energia sa nemôže uvoľňovať do životného prostredia. Zostáva uväznená v zahriatom „vzdušnom balíku“. Keby bol systém uzavretý, tlak by sa teraz zvýšil v dôsledku dodávky energie. Vo voľnej atmosfére sa však vzduchová parcela môže rozpínať, čím vytláča okolitý vzduch a týmto spôsobom spracováva absorbovanú energiu. V jednom kubickom metri nášho vzdušného balíka je preto menej molekúl vzduchu, vzduch je „tenší“, teda menej hustý, a teda ľahší ako okolitý vzduch. Rovnako ako plavecký kruh vo vode, aj náš vzdušný balíček dostáva vztlak, to znamená, že stúpa, až kým opäť nestratí svoju vyššiu energiu v dôsledku zväčšenia objemu. V určitom okamihu je balík rovnako teplý a hustý ako okolitý vzduch, takže výstup už skončil.

Tento proces sa nazýva tepelný.

Viac podrobností o týchto vzťahoch a fyzickom pozadí nájdete v kapitole o adiabatike.

Metóda vzduchových paketov je vysvetlená v kapitole o rovnováhe.

Základné podmienky pre vznik vztlaku a termiky dopĺňa veľmi praktický faktor: vodná para.
Základy vlhkosti vzduchu a vodných pár nájdete v kapitole o vlhkosti.

Podľa zákona o ideálnom plyne obsahuje jeden meter kubický vzduchu určitý počet molekúl a každá molekula má určitú hmotnosť. Vzduch sa skladá z väčšej časti z molekúl dusíka (N2) a v menšej miere z molekúl kyslíka (O2) a ďalších molekúl, napríklad vodnej pary. Pretože hustota vzduchu je hmotnosť molekúl vzduchu vydelená objemom, musíme brať do úvahy hmotnosť každej z molekúl vo vzduchu. Dusík má atómovú hmotnosť 14, takže molekula N2 má hmotnosť 28. Pre kyslík je atómová hmotnosť 16, takže molekula 02 má hmotnosť 32. Teraz pre molekulu vody H2O, ktorá, ako ukazuje vzorec, pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného kyslíka. Vodík (H) má atómovú hmotnosť 1, takže molekula H2O váži iba 18.

Je potrebné poznamenať, že molekula vody má výrazne nižšiu hmotnosť ako molekula dusíka alebo kyslíka. Daný objem vzduchu zároveň obsahuje iba určitý počet molekúl. Ak však obsahuje namiesto suchého vzduchu ľahšie molekuly vody, bude bez molekúl vody vážiť menej ako rovnaký objem. Vodná para je teda ľahšia ako suchý vzduch. Vlhký vzduch, teda vzduch s podielom vodnej pary, je preto ľahší ako suchý vzduch. Táto skutočnosť je samozrejmá. Vodná para sa vytvára v atmosfére odparovaním vody z rastlín, pôdy alebo z otvorených vodných plôch. Keby bol vlhký vzduch ťažší ako rovnako teplý a suchý vzduch, musel by zostať na zemi. Potom by sa veľmi rýchlo dosiahlo nasýtenia, stavu, v ktorom vzduch už nemôže absorbovať viac vody, a odparovanie by sa skončilo. Ale v prírode to tak nie je. Vlhký vzduch skôr stúpa nahor aj bez rozdielu teplôt k okolitému suchému vzduchu, už len z dôvodu rozdielu v hmotnosti, a tak začína prúdiť.
Viac informácií v kapitole „Voda“.

Ak sa pridá vodná para, hustota vzduchu sa zníži, takže plynová konštanta „R“ vo vzorci pre zákon ideálneho plynu predpokladá vyššiu hodnotu. Je potrebné poznamenať, že hodnota plynovej konštanty platí iba pre suchý vzduch, to znamená bez zohľadnenia vodných pár, ktoré sú vždy obsiahnuté vo voľnej atmosfére. To zodpovedá špecifikácii štandardnej atmosféry, pre ktorú je známa relatívna vlhkosť 0%. Zobrazená plynová rovnica tak predstavuje rôzne zložky takzvaných premenných atmosférického stavu - tu: tlak vzduchu, teplota vzduchu a hustota vzduchu - v súvislostiach; ak sú známe dve z týchto veličín, možno vypočítať tretiu. Hustota vzduchu suchého vzduchu preto závisí iba od tlaku vzduchu a teploty vzduchu. Plynová konštanta pre suchý vzduch je mimochodom 287 J/(kg K).

Vlhký vzduch je teda menej hustý.

Príklad:
Z vzoru výťahu je známe, že vztlak krídla je priamo úmerný hustote vzduchu. Ak určité krídlo dokáže zdvihnúť 1 500 kg na úrovni mora a za štandardných podmienok s hustotou 1 225 kg/m 3, koľko môže krídlo zdvihnúť za teplého letného dňa v Kemptene, keď je teplota vzduchu 35 ° C, je tlak vzduchu 828 hPa a rosný bod je 19,4 ° C?
Odpoveď je asi 1 134 kg.

Vlhký vzduch je preto menej „nosný“, to znamená, že vo vlhkom vzduchu je lietadlo menej aerodynamicky efektívne, takže je tu menší zdvih.

Vlhkosť ovplyvňuje nielen aerodynamické správanie lietadla, striktne povedané, tiež znižuje výkon jeho motora. V tejto súvislosti má však vplyv vlhkosti vzduchu v porovnaní s ostatnými zmenami hustoty vzduchu iba druhoradý význam, a preto ho možno v praxi do značnej miery zanedbať.