Ми ніколи не бачимо повітря — і саме через це легко забути, що воно є. Але варто помахати аркушем паперу перед обличчям, і відчуєш: повітря існує, воно рухається, воно тисне. І воно набагато цікавіше, ніж здається.
У цій статті розглянуто основні фізичні властивості повітря, його склад та те, як ці властивості проявляються у природі й побуті.
Склад повітря
Повітря — це не одна речовина, а суміш газів. Саме тому в різних умовах воно поводиться по-різному й має різні характеристики.
Основні компоненти повітря:
- азот — близько 78%. Хімічно малоактивний газ, який «розбавляє» кисень і не дає всьому горіти надто швидко;
- кисень — близько 21%. Необхідний для дихання живих організмів і для горіння;
- аргон — близько 0,9%. Інертний газ, майже не вступає в реакції;
- вуглекислий газ — близько 0,04%. Потрібен рослинам для фотосинтезу;
- інші гази — водяна пара, неон, гелій, метан та інші у дуже малих кількостях.
Склад повітря може змінюватися залежно від висоти, місцевості й ступеня забруднення. На великих висотах кисню стає менше, повітря розріджується — саме тому альпіністам важко дихати без додаткового кисню.
Основні фізичні властивості повітря
Фізичні властивості повітря — це те, що можна спостерігати й виміряти без хімічних реакцій. Вони пояснюють, чому вітер дує, чому пухова куртка гріє і чому насос може накачати шину.
Прозорість і відсутність кольору та запаху
Чисте повітря прозоре, безбарвне й не має запаху. Саме тому ми його не бачимо. Запах з’являється тоді, коли у повітрі є домішки: дим, квіти, їжа, пил.
Ця властивість дозволяє сонячному світлу вільно проходити крізь атмосферу й нагрівати поверхню Землі. Якби повітря поглинало світло — на планеті не було б тепла.
Повітря має масу
На перший погляд здається, що повітря нічого не важить. Але це не так. Один літр повітря за нормальних умов важить приблизно 1,29 грама. Це небагато — але вся атмосфера Землі має масу понад 5 000 000 000 000 000 кілограмів.
Переконатися в тому, що повітря має масу, можна простим дослідом: надута кулька на терезах важить більше, ніж сдута та сама кулька.
Пружність
Повітря пружне — воно чинить опір стисненню і прагне відновити попередній об’єм. Саме на цій властивості працюють:
- автомобільні шини і велосипедні камери;
- футбольні м’ячі й баскетбольні м’ячі;
- надувні матраци й рятувальні жилети;
- насоси й компресори.
Якщо стиснути надуту кульку з боків, вона деформується. Але як тільки прибрати руки — кулька повертає попередню форму. Це і є пружність повітря в дії.
Повітря стискається
На відміну від рідин, повітря добре стискається. Саме тому можна накачати велику кількість повітря в невеликий балон або шину. Ця властивість використовується в пневматичних інструментах, медичних апаратах і системах гальмування транспорту.
Повітря розширюється при нагріванні
Тепле повітря займає більший об’єм, ніж холодне. Одночасно воно стає менш щільним і легшим. Саме тому тепле повітря піднімається вгору — цей процес називається конвекцією.
На цій властивості засновано:
- Польоти повітряних куль — пальник нагріває повітря всередині оболонки, і куля злітає.
- Опалення приміщень — тепле повітря від радіатора піднімається і рівномірно прогріває кімнату.
- Виникнення вітру — різниця температур на різних ділянках поверхні Землі створює різницю тисків, і повітря починає рухатися.
Погана теплопровідність
Повітря погано проводить тепло — це один із найважливіших його параметрів для практичного застосування. Завдяки цій властивості:
- пухова куртка гріє — не сам пух, а повітря між волокнами утримує тепло тіла;
- сніг захищає рослини від морозу — пухкий сніг містить багато повітря, яке не пропускає холод до коренів;
- термос зберігає температуру напою — між стінками термоса є шар повітря або вакуум;
- подвійні склопакети у вікнах зменшують тепловтрати — повітря між шарами скла слугує ізолятором.
Саме тому три тонкі сорочки гріють краще, ніж одна потрійної товщини: між шарами тканини залишається повітря, яке утримує тепло.
Атмосферний тиск
Повітря тисне на все, що знаходиться в атмосфері. На рівні моря атмосферний тиск становить близько 101 325 Па або 760 мм рт. ст. Це стандартний атмосферний тиск.
З підйомом на висоту тиск зменшується: на кожен кілометр висоти він знижується приблизно на 10–12%. Саме тому на висоті важко дихати й вода кипить при нижчій температурі — на висоті 3000 м вона закипає вже при 90 °C.
Атмосферний тиск впливає на:
- самопочуття людини — різкі зміни тиску викликають головний біль, особливо у метеочутливих людей;
- погоду — зниження тиску передвіщає дощ і хмарність, підвищення — ясну погоду;
- роботу насосів і всмоктувальних пристроїв — вони використовують різницю тисків для переміщення рідин і газів.
Властивості вологого і сухого повітря
Фізичні властивості сухого повітря і вологого повітря відрізняються. Вологість — це вміст водяної пари у повітрі.
Вологе повітря легше сухого при однаковій температурі — молекули водяної пари легші за молекули азоту та кисню, якими вони замінюються. Саме тому перед дощем, коли вологість висока, повітря здається важким, а барометр показує зниження тиску.
Вологість впливає на:
- теплообмін організму — у вологому і теплому повітрі людина перегрівається швидше, бо піт не випаровується;
- збереження продуктів і матеріалів — висока вологість сприяє утворенню цвілі, іржавінню металів;
- ріст рослин — занадто суха або занадто волога атмосфера шкодить культурним рослинам.
Оптимальна вологість повітря в приміщенні для людини — 40–60%.
Властивості повітря в побуті
Щодня ми використовуємо властивості повітря, навіть не помічаючи цього. Ось кілька прикладів.
Пружність і стискання:
- насос для велосипеда або автомобіля;
- пневматичні дрилі та гайковерти на станції техобслуговування;
- розпилювачі для фарби, парфумів, дезінфектантів.
Погана теплопровідність:
- одяг з натуральних матеріалів, що «дихає»;
- утеплення стін пінопластом або мінватою — обидва матеріали містять багато повітря;
- подвійний склопакет у вікні.
Конвекція і рух повітря:
- витяжка на кухні — видаляє гаряче повітря і запахи;
- кондиціонер рівномірно охолоджує приміщення завдяки циркуляції повітряних мас;
- природна вентиляція в будинках — тепле повітря виходить через вікна вгорі, холодне заходить знизу.
«Повітря — найпоширеніший ізолятор на Землі. Ми буквально оточені ним і користуємося його властивостями щосекунди.»
Досліди, які демонструють властивості повітря
Переконатися у властивостях повітря можна через прості досліди, доступні вдома або в класі.
- Маса повітря. Зважте надуту кульку і сдуту. Надута важча — повітря має масу.
- Пружність. Стисніть надуту кульку — вона прагне відновити форму. Натисніть на насос — відчуєте опір стиснення.
- Розширення при нагріванні. Покладіть сдуту кульку на пляшку й занурте пляшку в гарячу воду. Кулька надується — від тепла повітря розширилося.
- Теплоізоляція. Загорніть один стакан з льодом у вовняний шарф, інший залиште відкритим. Через 30 хвилин порівняйте — у загорнутому стакані лід розтане повільніше.
- Тиск. Переверніть заповнений водою стакан, накривши його аркушем паперу. Папір тримається — атмосферний тиск повітря підтримує воду.
Ці досліди наочно показують, які властивості має повітря і як вони проявляються в реальних умовах.
«Повітря невидиме — але кожна його властивість має конкретний прояв, який можна виміряти, побачити або відчути.»
Властивості повітря — прозорість, маса, пружність, стисливість, теплопровідність і тиск — пояснюють величезну кількість явищ у природі й повсякденному житті. Від того, чому гріє куртка, до того, чому злітає куля — за всім цим стоїть повітря та його фізика.
