Densidad y volumen específico del aire húmedo. cuanto pesa el aire cuanto pesa un cubo de aire

Muchos pueden sorprenderse por el hecho de que el aire tiene un cierto peso distinto de cero. El valor exacto de este peso no es tan fácil de determinar, ya que está fuertemente influenciado por factores como composición química, humedad, temperatura y presión. Consideremos con más detalle la cuestión de cuánto pesa el aire.

Qué es aire

Antes de responder a la pregunta de cuánto pesa el aire, es necesario comprender qué es esta sustancia. El aire es una envoltura gaseosa que existe alrededor de nuestro planeta, y que es una mezcla homogénea de varios gases. El aire contiene los siguientes gases:

• nitrógeno (78,08%);
• oxígeno (20,94%);
• argón (0,93%);
• vapor de agua (0,40%);
• dióxido de carbono (0,035%).

Además de los gases enumerados anteriormente, neón (0,0018 %), helio (0,0005 %), metano (0,00017 %), criptón (0,00014 %), hidrógeno (0,00005 %), amoníaco (0,0003 %).

Es interesante notar que estos componentes se pueden separar si el aire se condensa, es decir, se convierte en estado líquido al aumentar la presión y disminuir la temperatura. Dado que cada componente del aire tiene su propia temperatura de condensación, de esta forma es posible aislar todos los componentes del aire que se utiliza en la práctica.

Peso del aire y factores que lo afectan

¿Qué te impide responder exactamente a la pregunta de cuánto pesa un metro cúbico de aire? Por supuesto, hay una serie de factores que pueden influir mucho en este peso.

En primer lugar, es la composición química. Arriba están los datos para la composición del aire limpio, sin embargo, en la actualidad este aire está muy contaminado en muchos lugares del planeta, respectivamente, su composición será diferente. Así, cerca de las grandes ciudades, el aire contiene más dióxido de carbono, amoniaco y metano que el aire de las zonas rurales.

En segundo lugar, la humedad, es decir, la cantidad de vapor de agua que contiene la atmósfera. Cuanto más húmedo es el aire, menos pesa, en igualdad de condiciones.

Tercero, temperatura. este es uno de factores importantes, cuanto menor sea su valor, mayor será la densidad del aire y, en consecuencia, mayor será su peso.

En cuarto lugar, la presión atmosférica, que refleja directamente el número de moléculas de aire en un determinado volumen, es decir, su peso.

Para comprender cómo la combinación de estos factores afecta el peso del aire, tomemos un ejemplo simple: la masa de un metro cúbico de aire seco a una temperatura de 25 ° C, ubicado cerca de la superficie de la tierra, es 1.205 kg, si consideramos el mismo volumen de aire cerca de la superficie del mar a una temperatura de 0 ° C, entonces su masa ya será igual a 1.293 kg, es decir, aumentará en un 7,3%.

Cambio en la densidad del aire con la altura

A medida que aumenta la altitud, la presión del aire disminuye, respectivamente, su densidad y peso disminuyen. El aire atmosférico a las presiones que se observan en la Tierra puede considerarse como un gas ideal en una primera aproximación. Esto significa que la presión del aire y la densidad están matemáticamente relacionadas entre sí a través de la ecuación de estado del gas ideal: P = ρ*R*T/M, donde P es la presión, ρ es la densidad, T es la temperatura en kelvins, M es el molar masa de aire, R es la constante universal de los gases.

De la fórmula anterior, puede obtener la fórmula para la dependencia de la densidad del aire con la altura, dado que la presión cambia según la ley P \u003d P 0 + ρ * g * h, donde P 0 es la presión en la superficie de la tierra , g es la aceleración de la gravedad, h es la altura . Sustituyendo esta fórmula de presión en la expresión anterior, y expresando la densidad, obtenemos: ρ(h) = P 0 *M/(R*T(h)+g(h)*M*h). Usando esta expresión, puedes determinar la densidad del aire a cualquier altura. En consecuencia, el peso del aire (más correctamente, la masa) está determinado por la fórmula m(h) = ρ(h)*V, donde V es un volumen dado.

En la expresión de la dependencia de la densidad con la altura, se puede notar que la temperatura y la aceleración de la caída libre también dependen de la altura. La última dependencia se puede despreciar si estamos hablando sobre alturas no más de 1-2 km. En cuanto a la temperatura, su dependencia de la altitud está bien descrita por la siguiente expresión empírica: T(h) = T 0 -0.65*h, donde T 0 es la temperatura del aire cerca de la superficie terrestre.

Para no tener que calcular constantemente la densidad para cada altitud, a continuación presentamos una tabla de la dependencia de las principales características del aire con la altitud (hasta 10 km).

¿Qué aire es el más pesado?

Al considerar los factores principales que determinan la respuesta a la pregunta de cuánto pesa el aire, puede comprender qué aire será el más pesado. En definitiva, el aire frío siempre pesa más que el aire caliente, ya que la densidad de este último es menor, y el aire seco pesa más que el aire húmedo. La última afirmación es fácil de entender, ya que es de 29 g/mol, y la masa molar de una molécula de agua es de 18 g/mol, es decir, 1,6 veces menor.

Determinación del peso del aire en determinadas condiciones.

Ahora vamos a resolver un problema específico. Respondamos a la pregunta de cuánto pesa el aire, ocupando un volumen de 150 litros, a una temperatura de 288 K. Tengamos en cuenta que 1 litro es la milésima parte de un metro cúbico, es decir, 1 litro = 0,001 m 3. En cuanto a la temperatura de 288 K, corresponde a 15°C, es decir, es típica de muchas regiones de nuestro planeta. El siguiente paso es determinar la densidad del aire. Puede hacer esto de dos maneras:

1. Calcula usando la fórmula anterior para una altitud de 0 metros sobre el nivel del mar. En este caso, se obtiene el valor ρ \u003d 1.227 kg / m 3
2. Mire la tabla de arriba, que está construida sobre la base de T 0 \u003d 288.15 K. La tabla contiene el valor ρ \u003d 1.225 kg / m 3.

Por lo tanto, tenemos dos números que están en buena concordancia entre sí. Una pequeña diferencia se debe al error de 0,15 K en la determinación de la temperatura, y también al hecho de que el aire todavía no es un gas ideal, sino real. Por lo tanto, para cálculos posteriores, tomamos el promedio de los dos valores obtenidos, es decir, ρ = 1.226 kg / m 3.

Ahora, usando la fórmula para la relación de masa, densidad y volumen, obtenemos: m \u003d ρ * V \u003d 1.226 kg / m 3 * 0.150 m 3 \u003d 0.1839 kg o 183.9 gramos.

También puedes responder cuánto pesa un litro de aire cuando condiciones dadas: m \u003d 1,226 kg / m 3 * 0,001 m 3 \u003d 0,001226 kg o aproximadamente 1,2 gramos.

¿Por qué no sentimos el aire presionando sobre nosotros?

¿Cuánto pesa 1 m3 de aire? Un poco más de 1 kilogramo. ¡Toda la tabla atmosférica de nuestro planeta ejerce presión sobre una persona con su peso de 200 kg! Esto es suficiente gran masa aire, lo que podría causar muchos problemas a una persona. ¿Por qué no lo sentimos? Esto se debe a dos razones: en primer lugar, también existe una presión interna dentro de la propia persona, que contrarresta la presión atmosférica externa, y en segundo lugar, el aire, al ser un gas, ejerce presión en todas las direcciones por igual, es decir, las presiones en todas las direcciones se equilibran entre sí. otro.

El principal propiedades físicas aire: densidad del aire, su viscosidad dinámica y cinemática, capacidad calorífica específica, conductividad térmica, difusividad térmica, número de Prandtl y entropía. Las propiedades del aire se dan en las tablas dependiendo de la temperatura en condiciones normales presión atmosférica.

Densidad del aire versus temperatura

Una tabla detallada de las densidades del aire seco en varias temperaturas y la presión atmosférica normal. ¿Cuál es la densidad del aire? La densidad del aire se puede determinar analíticamente dividiendo su masa por el volumen que ocupa. en determinadas condiciones (presión, temperatura y humedad). También es posible calcular su densidad utilizando la fórmula de la ecuación de estado de los gases ideales. Para hacer esto, necesita conocer la presión y temperatura absolutas del aire, así como su constante de gas y volumen molar. Esta ecuación le permite calcular la densidad del aire en estado seco.

En la práctica, para saber cual es la densidad del aire a diferentes temperaturas, es conveniente utilizar tablas preparadas. Por ejemplo, la tabla dada de valores de densidad aire atmosférico dependiendo de su temperatura. La densidad del aire en la tabla se expresa en kilogramos por metro cúbico y se da en el rango de temperatura de menos 50 a 1200 grados Celsius a presión atmosférica normal (101325 Pa).

A 25°C, el aire tiene una densidad de 1,185 kg/m 3 . Cuando se calienta, la densidad del aire disminuye: el aire se expande (aumenta su volumen específico). Con un aumento de la temperatura, por ejemplo, hasta 1200°C, se consigue una densidad del aire muy baja, igual a 0,239 kg/m 3 , que es 5 veces menor que su valor a temperatura ambiente. En general, la disminución del calentamiento permite que se produzca un proceso como la convección natural y se utiliza, por ejemplo, en aeronáutica.

Si comparamos la densidad del aire con respecto a, entonces el aire es más liviano en tres órdenes de magnitud: a una temperatura de 4 ° C, la densidad del agua es 1000 kg / m 3 y la densidad del aire es 1.27 kg / m 3. También es necesario anotar el valor de la densidad del aire en condiciones normales. Las condiciones normales de los gases son aquellas en las que su temperatura es de 0 °C, y la presión es igual a la presión atmosférica normal. Así, según la tabla, la densidad del aire en condiciones normales (en NU) es de 1.293 kg / m 3.

Viscosidad dinámica y cinemática del aire a diferentes temperaturas.

Al realizar cálculos térmicos, es necesario conocer el valor de la viscosidad del aire (coeficiente de viscosidad) a diferentes temperaturas. Este valor es necesario para calcular los números de Reynolds, Grashof, Rayleigh, cuyos valores determinan el régimen de flujo de este gas. La tabla muestra los valores de los coeficientes de dinámica. μ y cinemática ν viscosidad del aire en el rango de temperatura de -50 a 1200°C a presión atmosférica.

La viscosidad del aire aumenta significativamente con el aumento de la temperatura. Por ejemplo, la viscosidad cinemática del aire es 15.06 10 -6 m 2 / s a ​​una temperatura de 20 ° C, y con un aumento de temperatura a 1200 ° C, la viscosidad del aire se vuelve igual a 233.7 10 -6 m 2 / s, es decir, ¡aumenta 15,5 veces! La viscosidad dinámica del aire a una temperatura de 20°C es de 18,1·10 -6 Pa·s.

Cuando se calienta el aire, aumentan los valores de viscosidad tanto cinemática como dinámica. Estas dos cantidades están interconectadas a través del valor de la densidad del aire, cuyo valor disminuye cuando se calienta este gas. Un aumento en la viscosidad cinemática y dinámica del aire (así como de otros gases) durante el calentamiento está asociado con una vibración más intensa de las moléculas de aire alrededor de su estado de equilibrio (según el MKT).

Nota: ¡Cuidado! La viscosidad del aire se da a la potencia de 10 6 .

Capacidad calorífica específica del aire a temperaturas de -50 a 1200°С

Se presenta una tabla de la capacidad calorífica específica del aire a varias temperaturas. La capacidad calorífica de la tabla se da a presión constante (capacidad calorífica isobárica del aire) en el rango de temperatura de menos 50 a 1200°C para aire seco. ¿Cuál es la capacidad calorífica específica del aire? El valor de la capacidad calorífica específica determina la cantidad de calor que debe suministrarse a un kilogramo de aire a presión constante para aumentar su temperatura en 1 grado. Por ejemplo, a 20°C, para calentar 1 kg de este gas en 1°C en un proceso isobárico, se requieren 1005 J de calor.

Calor especifico el aire aumenta a medida que aumenta su temperatura. Sin embargo, la dependencia de la capacidad calorífica másica del aire con la temperatura no es lineal. En el rango de -50 a 120°C, su valor prácticamente no cambia - bajo estas condiciones, la capacidad calorífica promedio del aire es 1010 J/(kg grado). De acuerdo con la tabla, se puede observar que la temperatura comienza a tener un efecto significativo a partir de un valor de 130°C. Sin embargo, la temperatura del aire afecta su capacidad calorífica específica mucho más débilmente que su viscosidad. Entonces, cuando se calienta de 0 a 1200 °C, la capacidad calorífica del aire aumenta solo 1,2 veces, de 1005 a 1210 J/(kg grado).

Cabe señalar que la capacidad calorífica aire húmedo más alto que seco. Si comparamos el aire, es obvio que el agua tiene un valor más alto y el contenido de agua en el aire conduce a un aumento del calor específico.

Conductividad térmica, difusividad térmica, número de Prandtl del aire

La tabla muestra propiedades físicas del aire atmosférico como la conductividad térmica, la difusividad térmica y su número de Prandtl según la temperatura. Las propiedades termofísicas del aire se dan en el rango de -50 a 1200°C para aire seco. De acuerdo con la tabla, se puede ver que las propiedades indicadas del aire dependen significativamente de la temperatura y la dependencia de la temperatura de las propiedades consideradas de este gas es diferente.

Esta es la masa (peso) de 1 metro cúbico de una mezcla de aire y vapor de agua a cierta temperatura y humedad relativa. El volumen específico es el volumen de aire y vapor de agua por 1 kg de aire seco.

Contenido de humedad y calor

Para determinar el consumo de calor por humedad, necesita saber el valor contenido de calor del aire húmedo. Este valor se entiende contenido en la mezcla de aire y vapor de agua. Es numéricamente igual a la suma:

Aire comprimido es aire bajo presión mayor que la presión atmosférica.

El aire comprimido es un portador de energía único junto con la electricidad, gas natural y agua. En condiciones industriales, el aire comprimido se utiliza principalmente para accionar dispositivos y mecanismos con accionamiento neumático (accionamiento neumático).

En la vida cotidiana, todos los días, prácticamente no notamos el Aire que nos rodea. Sin embargo, a lo largo de la historia humana, las personas han explotado las propiedades únicas del aire. La invención de la vela y la fragua, el molino de viento y globo aerostático fueron los primeros pasos en el uso del aire como portador de energía.

Con la invención del compresor, ha llegado la era del uso industrial. aire comprimido. Y la pregunta:¿Qué es el aire y qué propiedades tiene? - se convirtió lejos de inactivo.

Al comenzar a diseñar un nuevo sistema neumático o actualizar uno existente, sería útil recordar y sobre algunas propiedades del aire, términos y unidades de medida.

El aire es una mezcla de gases, compuesta principalmente de nitrógeno y oxígeno.

La masa molar relativa media es -28,98. 10 -3 kg/mol

*La composición del aire puede variar. Por regla general, en las zonas industriales, el aire contiene

La densidad del aire es cantidad física, que caracteriza la masa específica de aire en condiciones naturales o la masa de gas en la atmósfera terrestre por unidad de volumen. El valor de la densidad del aire es función de la altura de las medidas, su humedad y temperatura.

Se toma como patrón de densidad del aire un valor igual a 1,29 kg/m3, que se calcula como la relación entre su masa molar (29 g/mol) y el volumen molar, que es el mismo para todos los gases (22,413996 dm3), correspondiente a la densidad del aire seco a 0 °C (273,15 °K) y una presión de 760 mmHg (101325 Pa) al nivel del mar (es decir, en condiciones normales).

No hace mucho tiempo, la información sobre la densidad del aire se obtenía indirectamente a través de observaciones de auroras, la propagación de ondas de radio y meteoros. Desde el advenimiento satélites artificiales La densidad del aire terrestre comenzó a calcularse gracias a los datos obtenidos de su frenado.

Otro método es observar la propagación de nubes artificiales de vapor de sodio creadas por cohetes meteorológicos. En Europa, la densidad del aire en la superficie de la Tierra es de 1,258 kg/m3, a una altitud de cinco km - 0,735, a una altitud de veinte km - 0,087, a una altitud de cuarenta km - 0,004 kg/m3.

Hay dos tipos de densidad del aire: masa y peso (gravedad específica).

La densidad de peso determina el peso de 1 m3 de aire y se calcula mediante la fórmula γ = G/V, donde γ es la densidad de peso, kgf/m3; G es el peso del aire, medido en kgf; V es el volumen de aire, medido en m3. Determinó que 1 m3 de aire en condiciones estándar(presión barométrica 760 mmHg, t=15°C) pesa 1.225 kgf, en base a esto, la densidad de peso (gravedad específica) de 1 m3 de aire es igual a γ = 1,225 kgf/m3.

Debe tenerse en cuenta que el peso del aire es una variable y cambia dependiendo de varias condiciones, como latitud geográfica y la fuerza de inercia que se produce cuando la Tierra gira alrededor de su eje. En los polos, el peso del aire es un 5% mayor que en el ecuador.

La densidad de masa del aire es la masa de 1 m3 de aire, denotada por la letra griega ρ. Como sabes, el peso corporal es un valor constante. Se considera unidad de masa la masa de una pesa de iridio de platino, que se encuentra en la Cámara Internacional de Pesos y Medidas de París.

La densidad másica del aire ρ se calcula a partir de siguiente fórmula: ρ = metro / v. Aquí m es la masa de aire, medida en kg×s2/m; ρ es su densidad de masa, medida en kgf×s2/m4.

La densidad de masa y peso del aire depende: ρ = γ / g, donde g es el coeficiente de aceleración de caída libre igual a 9,8 m/s². De donde se deduce que la densidad de masa del aire en condiciones estándar es 0,1250 kg×s2/m4.

A medida que cambian la presión barométrica y la temperatura, cambia la densidad del aire. Según la ley de Boyle-Mariotte, cuanto mayor sea la presión, mayor será la densidad del aire. Sin embargo, a medida que la presión disminuye con la altura, la densidad del aire también disminuye, lo que introduce sus propios ajustes, como resultado de lo cual la ley del cambio de presión vertical se vuelve más complicada.

La ecuación que expresa esta ley de cambio de presión con la altura en una atmósfera en reposo se llama ecuación básica de estática.

Dice que al aumentar la altitud, la presión cambia a un lado más pequeño y al ascender a la misma altura, la disminución de la presión es mayor cuanto más mas fuerza gravedad y densidad del aire.

Un papel importante en esta ecuación pertenece a los cambios en la densidad del aire. Como resultado, podemos decir que cuanto más alto subas, menos presión caerá cuando subas a la misma altura. La densidad del aire depende de la temperatura de la siguiente manera: en el aire cálido, la presión disminuye menos intensamente que en el aire frío, por lo tanto, a la misma altura en el cálido masa de aire la presión es más alta que en el frío.

Con valores cambiantes de temperatura y presión, la densidad de masa del aire se calcula mediante la fórmula: ρ = 0.0473xV / T. Aquí B es la presión barométrica, medida en mm de mercurio, T es la temperatura del aire, medida en Kelvin .

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La densidad también está determinada por la humedad del aire. La presencia de poros de agua conduce a una disminución de la densidad del aire, lo que se explica por la baja masa molar del agua (18 g/mol) frente a la masa molar del aire seco (29 g/mol). El aire húmedo se puede considerar como una mezcla de gases ideales, en cada uno de los cuales la combinación de densidades permite obtener el valor de densidad requerido para su mezcla.

Este tipo de interpretación permite determinar valores de densidad con un nivel de error inferior al 0,2 % en el rango de temperatura de −10 °C a 50 °C. La densidad del aire le permite obtener el valor de su contenido de humedad, que se calcula dividiendo la densidad del vapor de agua (en gramos), que está contenido en el aire, por la densidad del aire seco en kilogramos.

La ecuación básica de la estática no permite resolver problemas que surgen constantemente. tareas practicas en condiciones reales de una atmósfera cambiante. Por lo tanto, se resuelve bajo varios supuestos simplificados que corresponden a las condiciones reales reales, proponiendo una serie de supuestos particulares.

La ecuación básica de la estática permite obtener el valor del gradiente de presión vertical, que expresa el cambio de presión durante el ascenso o descenso por unidad de altura, es decir, el cambio de presión por unidad de distancia vertical.

En lugar del gradiente vertical, a menudo se usa el recíproco: el paso bárico en metros por milibar (a veces todavía hay una versión obsoleta del término "gradiente de presión": el gradiente barométrico).

La baja densidad del aire determina una ligera resistencia al movimiento. Muchos animales terrestres, en el curso de la evolución, utilizaron los beneficios ecológicos de esta propiedad del medio ambiente aéreo, por lo que adquirieron la capacidad de volar. El 75% de todas las especies de animales terrestres son capaces de volar activamente. En su mayor parte, estos son insectos y aves, pero hay mamíferos y reptiles.

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