Molte persone potrebbero essere sorprese dal fatto che l'aria abbia un certo peso diverso da zero. Il valore esatto di questo peso non è così facile da determinare, poiché è fortemente influenzato da fattori come la composizione chimica, l'umidità, la temperatura e la pressione. Diamo un'occhiata più da vicino alla domanda su quanta aria pesa.
Cos'è l'aria
Prima di rispondere alla domanda su quanto pesa l'aria, è necessario capire cos'è questa sostanza. L'aria è un guscio gassoso che esiste intorno al nostro pianeta e che è una miscela omogenea di vari gas. L'aria contiene i seguenti gas:
- azoto (78,08%);
- ossigeno (20,94%);
- argon (0,93%);
- vapore acqueo (0,40%);
- anidride carbonica (0,035%).
Oltre ai gas sopra elencati, l'aria contiene anche quantità minime di neon (0,0018%), elio (0,0005%), metano (0,00017%), kripton (0,00014%), idrogeno (0,00005%), ammoniaca (0,0003%).
È interessante notare cheÈ possibile separare questi componenti se si condensa l'aria, ovvero trasformarla in uno stato liquido aumentando la pressione e diminuendo la temperatura. Poiché ogni componente dell'aria ha una propria temperatura di condensazione, in questo modo è possibile isolare tutti i componenti dall'aria, che in pratica viene utilizzata.
Peso dell'aria e fattori che lo influenzano
Cosa ti impedisce di rispondere esattamente alla domanda, quanto pesa un metro cubo d'aria? Naturalmente, una serie di fattori che possono influenzare notevolmente questo peso.
In primo luogo, è la composizione chimica. Sopra sono riportati i dati per la composizione dell'aria pulita, tuttavia, al momento quest'aria è fortemente inquinata in molti luoghi del pianeta, rispettivamente, la sua composizione sarà diversa. Pertanto, vicino alle grandi città, l'aria contiene più anidride carbonica, ammoniaca e metano rispetto all'aria nelle aree rurali.
In secondo luogo, l'umidità, ovvero la quantità di vapore acqueo contenuta nell'atmosfera. Più l'aria è umida, meno pesa, a parità di altre condizioni.
Terzo, la temperatura. Questo è uno dei fattori importanti, più basso è il suo valore, maggiore è la densità dell'aria e, di conseguenza, maggiore è il suo peso.
In quarto luogo, la pressione atmosferica, che riflette direttamente il numero di molecole d'aria in un certo volume, ovvero il suo peso.
Per capire come la combinazione di questi fattori influisca sul peso dell'aria, facciamo un semplice esempio: la massa di un metro di aria cubica secca ad una temperatura di 25°C, situata vicino alla superficie terrestre,è 1.205 kg, ma se consideriamo un volume d'aria simile vicino alla superficie del mare ad una temperatura di 0 ° C, la sua massa sarà già pari a 1.293 kg, ovvero aumenterà del 7,3%.
Cambiamento della densità dell'aria con l' altezza
All'aumentare dell' altezza, la pressione dell'aria diminuisce, rispettivamente, la densità e il peso diminuiscono. L'aria atmosferica alle pressioni che si osservano sulla Terra può essere considerata un gas ideale in prima approssimazione. Ciò significa che la pressione e la densità dell'aria sono matematicamente correlate tra loro attraverso l'equazione di stato di un gas ideale: P=ρRT/M, dove P è la pressione, ρ è la densità, T è la temperatura in kelvin, M è la massa molare dell'aria, R è la costante universale del gas.
Dalla formula sopra si ricava la formula per la dipendenza della densità dell'aria dall' altezza, dato che la pressione cambia secondo la legge P=P0+ρ gh, dove P 0 - pressione sulla superficie terrestre, g - accelerazione di caduta libera, h - altezza. Sostituendo questa formula per la pressione nell'espressione precedente ed esprimendo la densità, otteniamo: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) M h). Usando questa espressione, puoi determinare la densità dell'aria a qualsiasi altezza. Di conseguenza, il peso dell'aria (più correttamente, massa) è determinato dalla formula m(h)=ρ(h)V, dove V è il volume dato.
Nell'espressione per la dipendenza della densità dall' altezza, si può notare che la temperatura e l'accelerazione della caduta libera dipendono anche dall' altezza. L'ultima dipendenza può essere trascurata se si parla di altezze non superiori a 1-2 km. Per quanto riguarda la temperatura, essola dipendenza dall' altitudine è ben descritta dalla seguente espressione empirica: T(h)=T0-0, 65h, dove T0 è il temperatura dell'aria vicino alla superficie del suolo.
Per non calcolare costantemente la densità per ogni altezza, di seguito è riportata una tabella della dipendenza delle principali caratteristiche dell'aria dall' altezza (fino a 10 km).
Quale aria è la più pesante
Dopo aver considerato i principali fattori che determinano la risposta alla domanda su quanta aria pesa, puoi capire quale aria sarà la più pesante. In breve, l'aria fredda pesa sempre più dell'aria calda, poiché la densità di quest'ultima è inferiore, e l'aria secca pesa più dell'aria umida. L'ultima affermazione è di facile comprensione, poiché la massa molare dell'aria è 29 g/mol e la massa molare di una molecola d'acqua è 18 g/mol, cioè 1,6 volte inferiore.
Determinazione del peso dell'aria in determinate condizioni
Ora risolviamo un problema specifico. Rispondiamo alla domanda su quanta aria pesa, occupando un volume di 150 litri, ad una temperatura di 288 K. Si consideri che 1 litro è un millesimo di metro cubo, cioè 1 litro=0,001 m3. Quanto alla temperatura di 288 K, corrisponde a 15°C, cioè tipica di molte regioni del nostro pianeta. Il prossimo passo è determinare la densità dell'aria. Ci sono due modi per farlo:
- Calcola usando la formula sopra per un' altezza di 0 metri sul livello del mare. In questo caso si ottiene il valore ρ=1.227 kg/m3
- Guarda la tabella sopra, che si basa su T0=288.15 K. La tabella contiene il valore ρ=1.225 kg/m 3.
Così, abbiamo due numeri che sono in buon accordo tra loro. Una leggera differenza è dovuta ad un errore di 0,15 K nella determinazione della temperatura, e anche al fatto che l'aria non è ancora un gas ideale, ma un vero e proprio gas. Pertanto, per ulteriori calcoli, prendiamo la media dei due valori ottenuti, ovvero ρ=1, 226 kg/m3.
Ora, usando la formula per la relazione tra massa, densità e volume, otteniamo: m=ρV=1.226 kg/m30.150 m3=0,1839 kg o 183,9 grammi.
Puoi anche rispondere quanto pesa un litro d'aria in determinate condizioni: m=1.226 kg/m30.001 m3=0,001226 kg o circa 1,2 grammi.
Perché non sentiamo l'aria premere su di noi
Quanto pesa 1 m3 di aria? Poco più di 1 chilogrammo. L'intera tavola atmosferica del nostro pianeta mette sotto pressione una persona con il suo peso di 200 kg! Questa è una massa d'aria abbastanza grande che potrebbe causare molti problemi a una persona. Perché non lo sentiamo? Ciò è dovuto a due motivi: in primo luogo, esiste anche una pressione interna all'interno della persona stessa, che contrasta la pressione atmosferica esterna, e in secondo luogo, l'aria, essendo un gas, esercita pressione in tutte le direzioni allo stesso modo, cioè le pressioni in tutte le direzioni bilanciano ciascuna altro.
