Воздух это кратко физика

Обновлено: 04.07.2024

ВОЗДУХ – смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли.

Тот факт, что воздух является не отдельным веществом, а смесью газов, первым доказал французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). В 1774 при прокаливании металлов в запаянной реторте он заметил, что с металлом соединяется только часть воздуха. На основании этого он сделал вывод, что воздух состоит из двух газов, из которых один может соединяться с металлом, а другой – нет.

Эту гипотезу А.Лавуазье проверил в 1775, поместив некоторое количество ртути в реторту, изогнутое горло которой сообщалось с воздухом в стеклянном колоколе, погруженном в ртуть (рис. 1).

В 19 в. в воздухе нашли диоксид углерода, благородные газы (аргон, гелий, неон, криптон и ксенон), следовые количества метана, сернистого газа, монооксида углерода, озона, водорода, аммиака и других соединений азота.

Содержание кислорода и азота в воздухе определили французские химики Жан Батист Андре Дюма и Жан Батист Буссенго (1802–1887) в 1841. Они пропускали воздух, очищенный от паров воды и диоксида углерода над раскаленной медью. Увеличение массы меди соответствовало содержанию кислорода, а непрореагировавший азот взвешивался непосредственно.

Составляющие воздух газы можно разделить не только химическими, но и физическими методами. Для этого используют испарение жидкого воздуха. Первые холодильные машины для сжижения воздуха, работа которых была основана на принципе Джоуля – Томсона, были построены в 1890-х. Их главные части – два (или более) змеевика, расположенные один в другом (рис. 2)

По внутреннему узкому змеевику подается воздух под давлением в 200 атм, резко расширяющийся в нижней камере до давления в 20 атм. Этот охладившийся расширившийся воздух по наружному змеевику возвращается к компрессору и при этом охлаждает внутренний змеевик с находящимся в нем воздухом (под давлением 200 атм), который затем снова расширяется в той же камере, где охлаждается еще больше. Так продолжается до тех пор, пока воздух в камере не начнет сжижаться.

Возможность отделения азота от кислорода основана на том, что жидкий азот кипит при более низкой температуре (–195,8° С), чем кислород (–183,0° С), поэтому он испаряется первым. Затем из жидкого воздуха улетучивается аргон (т. кип. –185,9° С). Этим методом из воздуха можно выделить и другие газы. В 1896–1897 английский химик и физик Уильям Рамзай (1852–1916) при дробной перегонке сжиженного аргона получил еще четыре благородных газа.

В 1923 английский физик и химик Фрэнсис Уильям Астон (Нобелевская премия по химии, 1922) испарил 400 тонн жидкого воздуха, но никаких других газов, кроме открытых ранее, в нем не нашел.

Основными компонентами воздуха в нижней атмосфере являются азот N2, кислород O2 и аргон Ar.

Кроме газов, указанных в таблице, атмосферный воздух содержит пары воды (0,002–4% по массе), а в приземном воздухе всегда есть большое количество взвешенных твердых и жидких частиц, образующих аэрозоли.

Современный состав воздуха сформировался в результате длительных эволюционных процессов в недрах Земли и на ее поверхности. Огромную роль в этом сыграла деятельность зеленых растений, животных и микроорганизмов.
Предполагают, что большое количество азота в воздухе появилось в результате окисления первичной аммиачно-водородной атмосферы Земли молекулярным кислородом, который сначала образовывался в результате диссоциации воды, а затем стал накапливаться у поверхности Земли в результате фотосинтеза (рис. 3).

Источниками благородных газов являются вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Аргон образуется в результате распада калия-40. Радон появляется при распаде радия, а гелий, ядра которого представляют собой альфа-частицы, является одним из продуктов многих стадий цепочек радиоактивных превращений, начинающихся от урана и тория.

Диоксид углерода попадает в атмосферный воздух во время извержений вулканов, при разложении карбонатных горных пород и органических веществ, а также в результате производственной деятельности человека. В последние десятилетия наблюдается неуклонный, хотя и небольшой рост содержания диоксида углерода в атмосферном воздухе.

Многочисленные газообразные вещества, находящиеся в воздухе в следовых количествах, образуются в результате вулканической деятельности, выделяются растениями и бактериями.
Развитие энергетики и промышленности оказывает все большее влияние на состав воздуха, особенно это заметно вблизи крупных предприятий и в больших городах. Больше всего загрязняющих газов (оксиды углерода, азота, серы) и аэрозолей образуется при сжигании топлива.

Плотность и давление атмосферного воздуха непрерывно меняются при увеличении расстояния от поверхности планеты. Воздушную оболочку Земли делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу и экзосферу. Границы между ними называют соответственно тропопаузой, стратопаузой и т.д. (рис. 4).

Рис. 4. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА с высотой. На врезке показано изменение концентрации газов в гетеросфере в зависимости от высоты.

До высоты 100 км состав воздуха почти не изменяется в результате интенсивного перемешивания. Состав воздуха в стратосфере и мезосфере почти такой же, как в тропосфере. Главное отличие – повышенное содержание озона, который образуется в результате фотохимических реакций на высоте около 30 км.
В стратосфере и более высоких слоях молекулы газов диссоциируют на атомы. На высоте 80 км полностью распадаются на атомы диоксид углерода и водород, выше 150 км – кислород, выше 300 км – азот. На расстоянии 100–400 км от поверхности Земли в ионосфере газ ионизуется: образуются ионы O2–, O2+, N2+. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы ОН*, НО2* и другие.

Выше 120 км воздух перемешивается так слабо, что существенным становится распределение химических частиц под действием гравитации. Поэтому ближе к Земле преобладают молекулярные и атомарные кислород и азот, а выше – водород и гелий, которые вследствие малого атомного веса, медленно рассеиваются в космическое пространство.

Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды (перевод с англ.). М., Мир, 1999
Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учеб. пособие для геогр., биол., геол., с.-х. спец. вузов. М., Высш. шк., 1998
Ревель П., Ревель Ч. Среда нашего обитания. В 4-х кн. (перевод с англ.). М., Мир, 1995
Химия и общество (перевод с англ.). М., Мир, 1995

Урок 1: что такое воздух

Кстати, Джозеф Блэк изначально увлекался только гуманитарными науками, в частности философией. И если бы не твердая рука его отца и настоятельные рекомендации перейти к физике и химии, открытия могло бы и не быть.

Урок 2: Какие газы входят в состав воздуха

Оговоримся сразу, азот в воздухе занимает большую часть, однако и химический состав оставшейся доли весьма интересен и разнообразен. Если коротко, то список основных элементов выглядит следующим образом.

Однако дадим и небольшие пояснения по функциям этих химических элементов.

1. Азот

Содержание азота в воздухе – 78% по объему и 75% по массе, то есть этот элемент доминирует в атмосфере, имеет звание одного из самых распространенных на Земле, и, кроме того, содержится и за пределами зоны обитания человека – на Уране, Нептуне и в межзвездных пространствах. Итак, сколько азота в воздухе, мы уже разобрались, остался вопрос о его функции. Азот необходим для существования живых существ, он входит в состав:

белков;
аминокислот;
нуклеиновых кислот;
хлорофилла;
гемоглобина и др.

В среднем около 2% живой клетки составляют как раз атомы азота, что объясняет, зачем столько азота в воздухе в процентах объема и массы. Азот также является одним из инертных газов, добываемых из атмосферного воздуха. Из него синтезируют аммиак, используют для охлаждения и в других целях.

2. Кислород

Содержание кислорода в воздухе – один из самых популярных вопросов. Сохраняя интригу, отвлечемся на один забавный факт: кислород открыли дважды – в 1771 и 1774 годах, однако из-за разницы в публикациях открытия, почести открытия элемента достались английскому химику Джозефу Пристли, который фактически выделил кислород вторым. Итак, доля кислорода в воздухе колеблется около 21% по объему и 23% по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют 99% всего земного воздуха. Однако процент кислорода в воздухе меньше, чем азота, и при этом мы не испытываем проблем с дыханием. Дело в том, что количество кислорода в воздухе оптимально рассчитано именно для нормального дыхания, в чистом виде этот газ действует на организм подобно яду, приводит к затруднениям в работе нервной системы, сбоям дыхания и кровообращения. При этом недостаток кислорода также негативно сказывается на здоровье, вызывая кислородное голодание и все связанные с ним неприятные симптомы. Поэтому сколько кислорода в воздухе содержится, столько и нужно для здорового полноценного дыхания.

3. Аргон

Аргон в воздухе занимает третье место, он не имеет запаха, цвета и вкуса. Значимой биологической роли этого газа не выявлено, однако он обладает наркотическим эффектом и даже считается допингом. Добытый из атмосферы аргон используют в промышленности, медицине, для создания искусственной атмосферы, химического синтеза, пожаротушения, создания лазеров и пр.

4. Углекислый газ

5. Неон

Тот самый загадочный свет дискотечных фонарей, яркие вывески и современные фары используют пятый по распространенности химический элемент, который также вдыхает человек – неон. Как и многие инертные газы, неон оказывает на человека наркотическое действие при определенном давлении, однако именно этот газ используют в подготовке водолазов и других людей, работающих при повышенном давлении. Также неоново-гелиевые смеси используются в медицине при расстройствах дыхания, сам неон используют для охлаждения, в производстве сигнальных огней и тех самых неоновых ламп. Однако, вопреки стереотипу, неоновый свет не синий, а красный. Все остальные цвета дают лампы с другими газами.

6. Метан

Метан и воздух имеют очень древнюю историю: в первичной атмосфере, еще до появления человека, метан был в куда большем количестве. Сейчас этот газ, добываемый и используемый как топливо и сырье в производстве, не так широко распространен в атмосфере, но по-прежнему выделяется из Земли. Современные исследования устанавливают роль метана в дыхании и жизнедеятельности организма человека, однако авторитетных данных на этот счет пока нет.

7. Гелий

Посмотрев, сколько гелия в воздухе, любой поймет, что этот газ не относится к числу первостепенных по важности. Действительно, сложно определить биологическое значение этого газа. Не считая забавного искажения голоса при вдыхании гелия из шарика :) Однако гелий широко применяется в промышленности: в металлургии, пищевой промышленности, для наполнения воздухоплавающих судов и метеорологических зондов, в лазерах, ядерных реакторах и т.д.

8. Криптон

Речь не идет о родине Супермена :) Криптон – инертный газ, который в три раза тяжелее воздуха, химически инертен, добывается из воздуха, используется в лампах накаливания, лазерах и все еще активно изучается. Из интересных свойств криптона стоит отметить, что при давлении в 3,5 атмосферы он оказывает наркотический эффект на человека, а при 6 атмосферах приобретает резкий запах.

9. Водород

Водород в воздухе занимает 0,00005% по объему и 0,00008% по массе, но при этом именно он – самый распространенный элемент во Вселенной. О его истории, производстве и применении вполне можно написать отдельную статью, поэтому сейчас ограничимся небольшим списком отраслей: химическая, топливная, пищевая промышленности, авиация, метеорология, электроэнергетика.

10. Ксенон

Урок 3: Физические свойства воздуха

Как и у всякой смеси веществ, сегодня можно установить физические свойства воздуха.

Химический состав

В 1754 году Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество. [1]

Состав воздуха:

Вещество	Обозначение	По объёму, %	По массе, %
Азот	N₂	78,084	75,50
Кислород	O₂	20,9476	23,15
Аргон	Ar	0,934	1,292
Углекислый газ	CO₂	0,0314	0,046
Неон	Ne	0,001818	0,0014
Метан	CH₄	0,0002	0,000084
Гелий	He	0,000524	0,000073
Криптон	Kr	0,000114	0,003
Водород	H₂	0,00005	0,00008
Ксенон	Xe	0,0000087	0,00004

Состав воздуха может меняться: в крупных городах содержание углекислого газа будет выше, чем в лесах; в горах пониженное содержание кислорода, вследствие того, что кислород тяжелее азота, и поэтому его плотность с высотой уменьшается быстрее. В различных частях земли состав воздуха может варьироваться в пределах 1-3 % для каждого газа. [источник не указан 924 дня]

Воздух всегда содержит пары воды. Так, при температуре 0 °C 1 м³ воздуха может вмещать максимально 5 граммов воды, а при температуре +10 °C — уже 10 граммов.

Физические свойства

Воздух в философии

Первый символ – общепринятое изображение стихии воздух.
Второе – алхимический символ.
Третье изображение – триграмма воздуха в Книге Перемен.

Немецкий мыслитель Фридрих Вильгельм Ницше писал [источник не указан 144 дня] о воздухе, что это наивысшая и самая тонкая из материй. Из воздуха соткана свобода человека. Поэтому символ воздуха в первую очередь это символ свободы. Это свобода, для которой нет никаких преград, ведь воздух нельзя ограничить, нельзя поймать и придать ему форму. [источник не указан 144 дня]

Это символ не только физической, но и духовной свободы, свободы мысли. [источник не указан 144 дня]

Воздух в искусстве

См. также

Примечания

Гелиокс - Нитрокс - Сжатый воздух - Тримикс
Экзотические дыхательные смеси: Аргокс - Аргонокс - Гидрокс - Гидрелиокс - Неокс - Неоквад

Газовые смеси для дыхания
Газы
Атмосфера Земли
Воздух

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Воздух" в других словарях:

ВОЗДУХ — (атмосферный и жилых помещении) Содержание: Состав воздуха. 495 Испорченный воздух. 49 7 Физические свойства воздуха Температура. . 500 Влажность. •. 500 Определение охлаждающей… … Большая медицинская энциклопедия

воздух — 1. ВОЗДУХ, а; мн. нет; м. 1. Смесь газов (преимущественно азота и кислорода), из которых состоит атмосфера Земли; дыхательная среда человека, живого организма. Давление, влажность, температура воздуха. Морской, горный, лесной в. Чистый в.… … Энциклопедический словарь

ВОЗДУХ — 1. ВОЗДУХ1, воздуха, мн. нет, муж. Сложное газообразное тело, составляющее атмосферу земли (физ.). Воздух состоит гл. обр. из кислорода и азота. || Земная атмосфера; то, чем дышит живое существо. Спертый воздух. Выйти подышать воздухом. Лесной… … Толковый словарь Ушакова

воздух — Атмосфера. Ср … Словарь синонимов

ВОЗДУХ — ВОЗДУХ, смесь газов, составляющая атмосферу Земли. Сухой воздух содержит азот (78,1% по объему у поверхности Земли), кислород (21%), благородные газы (0,9%), углекислый газ (0,03%) и др.; во влажном воздухе до 3% водяных паров. Масса (5,1… … Современная энциклопедия

Воздух — ВОЗДУХ, смесь газов, составляющая атмосферу Земли. Сухой воздух содержит азот (78,1% по объему у поверхности Земли), кислород (21%), благородные газы (0,9%), углекислый газ (0,03%) и др.; во влажном воздухе до 3% водяных паров. Масса (5,1… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ВОЗДУХ — смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли: азот (78,09% по объему), кислород (20,95%), благородные газы (0,94%), углекислый газ (0,03%); суммарная масса ок. 5,2.1015 т. Плотность 1,2928 г/л, растворимость в воде 29,18 см³/л. Благодаря… … Большой Энциклопедический словарь

ВОЗДУХ — смесь газов, образующих атмосферу Земли и используемых для дыхания всеми сухопутными живыми организмами. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989. ВОЗДУХ (В.) важный… … Экологический словарь

ВОЗДУХ — ВОЗДУХ, а, муж. 1. Смесь газов, составляющая атмосферу Земли. Струя воздуха. В воздухе носится или чувствуется что н. (перен.: заметно появление каких н. идей, настроений). Повиснуть в воздухе (перен.: о ком чём н., оказавшемся в неопределённом… … Толковый словарь Ожегова

ВОЗДУХ — одна из фундаментальных стихий мироздания. Как и огонь, В. соотносится с мужским, лёгким, духовным началом в противоположность земле и воде, относящимся чаще всего к началу женскому, тяжёлому, материальному. Становящийся доступным органам чувств… … Энциклопедия мифологии

Во́здух — смесь газов, главным образом состоящая из азота и кислорода (в совокупности 98—99 % в зависимости от влажности, то есть концентрации водяного пара), а также аргона, углекислого газа, водорода, образующая земную атмосферу. Воздух необходим для нормального существования на Земле живых организмов. Кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы). В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Из воздуха, используя метод сжижения, добывают инертные газы.

Доказательства зонального распределения температуры воздуха: температура понижается от экватора к полюсам. В этом направлении угол падения солнечных лучей уменьшается, что приводит к снижению нагревания земной поверхности. Средняя годовая температура на всей земной поверхности +14 °C. Южное полушарие холоднее Северного.

Читайте также: