Все о воздухе

Воздух

Тема: Природа

Урок: Воздух

1. Воздух и атмосфера

Что такое воздух? Возьмите газету или листок бумаги и помашите им около лица. Вы почувствуете легкий ветерок, это колебания воздуха. Он окружает нас со всех сторон. Вся наша планета Земля окутана невидимой прозрачной оболочкой — воздухом.

Рис. 1. Земной шар (Источник)

Воздух есть везде – на улице, в комнате, в земле, в воде. Любое свободное пространство на нашей планете естественным образом заполняется воздухом. Воздух – невидим, но его можно обнаружить с помощью органов чувств. Ветер – это движение воздуха. Слой воздуха, который окружает нашу планету, называется атмосфера.

Атмосфера – это гигантская воздушная оболочка, которая простирается вверх на сотни километров.

Воздух – это газ, а вернее сказать — смесь газов азота, кислорода и углекислого газа. Самый важный из них – кислород, потому что именно им дышит человек.

2. Свойства воздуха

У воздуха есть свои свойства. Воздух – прозрачен, хотя на самом деле прозрачен только чистый воздух. Например, дым костра загрязняет воздух частицами гари и пыли, и тогда он становится непрозрачным.

Воздух должен быть чистым, но во многих местах, особенно в городах, он загрязнен.

Рис. 2. Чистый воздух в лесу (Источник)

Рис. 3. Загрязнение воздуха в городах (Источник)

Фабрики и заводы очень сильно загрязняют воздух, они выбрасывают в атмосферу ядовитые газы, сажу, пыль. Выхлопные газы машин тоже загрязняют воздух, которым мы дышим, а это очень вредно для здоровья человека.

Рис. 4. Загрязнение воздуха выхлопными газами (Источник)

Загрязнение воздуха угрожает здоровью человека, поэтому сейчас очень многое делается для защиты воздуха от загрязнения. В разных местах созданы специальные станции, которые следят за уровнем загрязненности воздуха в больших городах.

Нам с вами важно беречь растения. Они своими листьями задерживают пыль и гарь. Растения выполняют еще одну важную роль – они поглощают углекислый газ и вырабатывают кислород. Потому в местах, где много растительности, дышится легко.

Замечали ли вы, что в разных помещениях по-разному пахнет? Это действительно так. В столовой, парикмахерской, аптеке частицы пахучих веществ смешиваются с частицами воздуха, и мы ощущаем разные запахи. Но запомните, что чистый воздух не пахнет.

Рис. 5. Столовая (Источник)

Рис. 6. Парикмахерская (Источник)

Рис. 7. Аптека (Источник)

Только чистый воздух – прозрачный и не имеет запаха. Если вы ощущаете в воздухе запах газа или гари, срочно обратитесь ко взрослым. Они выяснят и устранят причину или позвонят в службу МЧС.

В окна домов вставляют двойные рамы. Это делается для того, чтобы слой воздуха между ними не выпускал тепло из комнаты на улицу. Вот вам еще одно свойство воздуха – он плохо проводит тепло. Как это свойство воздуха человек использует в быту? В шерстяной или меховой одежде между волосками много воздуха. Именно поэтому нам в ней так тепло зимой.

Положите на деревянный стол механические часы, и вы услышите, как они тикают. Теперь отодвигайте их на дальний край стола, пока не перестанете их слышать. А теперь прислоните ухо к столу, и вы снова услышите тиканье часов. Отсюда можно сделать вывод, что воздух хуже передает звук, чем дерево.

Рис. 8. Механические часы (Источник)

Прочитайте стишок, чтобы вспомнить свойства воздуха, о которых мы с вами говорили:

Он прозрачный, невидимка,

Легкий и бесцветный газ.

Невесомою косынкой он окутывает нас.

Он в лесу – густой, душистый,

Как целительный настой,

Пахнет свежестью смолистой,

Пахнет дубом и сосной.

Летом он бывает теплым,

Веет холодом зимой,

Когда иней красит стекла

И лежит на них каймой.

Мы его не замечаем,

Мы о нем не говорим,

Просто мы его вдыхаем…

Список рекомендованной литературы

Рекомендованные ссылки на ресурсы интернет

  1. Фестиваль педагогических идей (Источник).
  2. Социальная сеть работников (Источник).
  3. Открытый класс (Источник).

Интересные факты о воздухе, свойства, состав, распространение

Каждый живой организм на Земле нуждается в воздухе. Он нужен не только людям, но и животным, и рыбам. Главный компонент воздуха — кислород, и его большая часть вырабатывается растениями и деревьями. Это бесценный природный дар, но, к сожалению, отношение людей к нему бездумное. С каждым годом сотни гектаров леса вырубаются, а поэтому экологи тревожатся о том, что данная проблема приобретает катастрофические масштабы. Интересные факты о воздухе позволят понять, насколько важным он считается для каждого обитателя нашей планеты.

Что такое воздух?

Что такое воздух, для детей объясняется просто. Это самая таинственная стихия, потому что воду, огонь и землю можно увидеть и почувствовать, а воздух – нет.

Воздух — это естественная смесь газов, которая образует земную атмосферу. Воздух нужен для нормальной жизни подавляющего числа наземных живых организмов. Кислород, что содержится в большом количестве в воздухе, с дыханием поступает в клетки организма и применяется в процессе окисления. В результате этого выделяется необходимая для жизни энергия.

Каковы свойства воздуха?

  • Говоря о воздухе и его свойствах, не стоит забывать о температуре. В каждой точке она непрерывно меняется, а поэтому в разных уголках Земли в одно и то же время она разная. У земной поверхности температура воздуха может варьироваться в достаточно обширных пределах. Крайние её значения +58 ˚С и −89,2 ˚С.
  • Плотность воздуха — это удельная масса воздуха при естественных условиях или масса газа атмосферы Земли на единицу объема. Данная величина считается функцией от высоты производимого измерения, от его влажности и температуры.
  • Под влажностью обычно понимают наличие в воздухе газообразного водяного пара. При этом его парциальное давление не превосходит давления насыщенного пара для таких атмосферных условий. Добавление водяного пара в воздух способно привести к снижению его плотности, что объяснимо более низкой молярной массой воды в сравнении с молярной массой сухого воздуха.

Из чего состоит воздух?

  1. В воздухе больше всего содержится азота. И его содержание составляет 78% по объему и 75% по массе. В связи с этим азот обладает званием самого распространенного на Земле вещества. Кроме этого, он содержится и за пределами существования человечества. Азот есть на таких планетах, как Нептун и Уран.
  2. Количество кислорода в воздухе колеблется в пределах 21% по объему и 23% по массе. Совместно с азотом такие 2 газа образуют 99% всего воздуха на Земле. Но процент кислорода в воздухе меньший, нежели азота, и это позволяет живым существам не испытывать проблем с дыханием.
  3. В состав воздуха входит и аргон, занимающий третье место. Он не имеет запаха, вкуса и цвета. Значимая биологическая роль данного газа не выявлена, но он действует как наркотическое вещество и является допингом.
  4. Углекислый газ является составляющим компонентом атмосферы Марса и Венеры. Его процентная доля в земном воздухе несколько ниже. При этом большое количество углекислоты есть в океане, и он постоянно поставляется всеми организмами, которые умеют дышать. Также он выбрасывается промышленными объектами. В человеческой жизни углекислый газ используют при пожаротушениях и в виде пищевой добавки Е290 в кулинарии. В твердом виде углекислота – это знаменитый хладагент «сухой лед».
  5. Пятый по распространению химический элемент, который также вдыхается с воздухом человеком – это неон. Как и множество других инертных газов, он воздействует на живое существо как наркотик, но именно данный газ используется при подготовке водолазов и других людей, что работают в условиях повышенного давления.
  6. Метан и воздух взаимосвязаны и имеют древнейшую историю. В первичной атмосфере, еще до появления человека, метан использовался в куда большем количестве. На сегодня данный газ, что добывается и используется в качестве топлива и сырья при производстве, не так широко распространен в атмосфере, но этот газ по-прежнему выделяется из недр Земли.
  7. То, что гелий тоже содержится в воздухе, дано понять каждому. Этот газ не относят к числу первостепенных по важности, и его биологическое значение определить сложно.
  8. Криптон – это инертный газ, который в 3 раза тяжелее воздуха. Он химически инертный и добывают его из воздуха. Используют данный газ в лазерах и лампах накаливания. Из интересных свойств криптона можно выделить то, что при давлении в 3,5 атмосферы он окажет на человека наркотический эффект, а при 6 атмосферах приобретет неприятный и резкий запах.
  9. Водород в воздухе занимает 0,00008% по массе и 0,00005% по объему, но при этом именно он является самым распространенным элементом на планете Земля.
  10. Последним составляющим воздуха считается такой газ, как ксенон. Его наименование в переводе означает «чужой», а процент содержания его на Земле, и за ее пределами минимальная. Это в свою очередь и обуславливает его огромную цену и значимость для живых существ.

Где находится воздух, и зачем он нам нужен?

  • Воздух способен заполнять все свободное пространство. Даже самые маленькие щели заполнены им.
  • Прозрачный стакан изначально только кажется пустым. Если его медленно наклонить и погрузить в воду, то по мере заполнения стакана водой, из него в виде крупных пузырьков начинает выходить воздух.
  • Жизнь на Земле без воздуха была бы невозможна. Без еды человеку удастся продержаться несколько недель, без воды – несколько дней, а без воздуха только несколько минут. Попробовав перестать дышать на некоторое время, уже спустя несколько секунд можно почувствовать, как необходим глубокий вдох. Точно так в воздухе нуждаются и животные.
  • Ещё воздух дает нам возможность общаться. Звуки, которые издаются живыми существами, колеблют воздух. Рождающиеся звуковые волны способны заставить колебаться барабанную перепонку в ушах, а данные колебания передаются и в головной мозг, которым они воспринимаются как звук. На Луне атмосферы нет, а поэтому там царит абсолютная тишина. Что касается общения там, то делается это лишь при помощи специальных жестов или устройств.
  • В огромном воздушном океане зарождаются ветры и облака, полярные сияния и грозы. Они оберегают нас от метеоритов, опасного теплового и ультрафиолетового излучения, что исходит от Солнца. За счет такой воздушной «шубы», не страшным будет Земле и космический холод.
  • За счет присутствия на Земле воздуха небо бороздят вертолёты, самолёты и огромные дирижабли. В голубом небе совершаются полеты птиц. Подъёмная сила, что позволяет им удерживаться в полёте, появляется благодаря обтеканию воздухом изогнутых поверхностей их крыльев.

Воздух в жизни человека

Воздух считается жизненно необходимым фактором для развития и жизнедеятельности человека. Он разносится кровью по телу, за счет чего и насыщает каждый орган и каждую клетку организма.

Именно в воздухе возникает тепловой обмен человеческого организма с окружающей средой. Сущность данного обмена заключается в конвекционной передаче тепла и испарении влаги из легких человека.

К тому же воздух защищает организм, разбавляя химические загрязнители до безопасной концентрации. Это, в свою очередь, способствует понижению риска отравления организма химическими веществами.

Кислород избавляет человеческий организм от присутствия углекислоты, в которой накапливаются токсины и яды. Если человеку приходится редко выходить на свежий воздух, и он лишь поверхностно дышит, либо в воздухе присутствует малая доля кислорода, то человеческий организм переносит отравление, которое в итоге приводит к разнообразным заболеваниям.

Воздух в жизни растений и животных

Воздух значим и в жизни растений. Основополагающие компоненты, необходимые для роста и развития растений – это углекислый газ, кислород, почвенный воздух и водяные пары. Кислород нужен для дыхания, а углекислый газ для углеродного питания.

Кислород жизненно необходим для всего живого. Растения не способны прорасти без насыщения кислородом. В данном веществе сильно нуждаются и корни, и листья, и стебли растений.

Углекислый газ попадает в растение за счет внедрения через его устьица в среду листа, тем самым попадая в клетки. Чем большей будет концентрация углекислого газа, тем лучшей станет жизнь растений.

Воздух способствует осуществлению микробиологических процессов, что происходят в почве. За счет этих процессов в почве образовываются элементы, нужные для роста, питания и жизни растений. Это фосфор, азот, калий и другие.

Также воздух имеет особое значение при формировании механических тканей у наземных растений. Он служит им окружающей средой, за счет чего и защищает от влияния ультрафиолетовых лучей.

Продвижение воздуха является немаловажным для благоприятного роста растений. Горизонтальное движение воздуха иссушает растения, а вертикальное способствует распространению пыльцы, семян, а также регулирует тепловой режим на разных территориях.

Где самый чистый и полезный воздух?

  1. Синайский полуостров в Египте — это место, которое соединяет Азию и Африку. Американским исследователям академии прессы о химии и радиоактивности воздуха смогли назвать эту территорию местом, где самый чистый атмосферный воздух. Содержание диоксида углерода в этом регионе составляет приблизительно 2% на 100 000 000 частиц.
  2. Антарктида за счет минусовой температуры, отсутствия производства и самого человека, а также высоты примерно в 2000 метров над уровнем моря, имеет на континенте кристально чистый и разреженный воздух.
  3. Наталь в Бразилии – это то место на Земле, где экологически чистый воздух. По исследованиям NASA, в бразильском городе Наталь не только самый чистый в мире воздух, но и вода. При всем этом, данный город имеет население в 774 000 человек и считается крупнейшим промышленным центром.
  4. Долина Эльки и Чилийская Патагония – это 2 уникальных места на Земле, где тоже можно насладиться чистым воздухом.

Интересные факты

  1. Автомобилями всего мира потребляется огромное количество воздуха. И это количество больше, чем потребляет человек. Некоторыми моделями с мощными двигателями за минуту езды сжигается такое количество газа, которого человеку хватит даже на неделю.
  2. Больше всего воздуха в мире вырабатывается лесами Южной Америки и сибирскими массивами. По такой же причине джунгли Амазонии еще называются «легкими Земли».
  3. Охладив кислород до температуры -150 градусов и оказывая на него давление, приравниваемое к 60 атмосферам, воздух приобретает жидкую форму.
  4. Ученым удалось установить, что спортсмены, которые постоянно погружаются в воду без снаряжения, могут обойтись без воздуха до 9 минут. Для обыкновенного человека данный показатель меньший практически в 2 раза.
  5. Скорость воздушной массы в носовых ходах в момент чихания человека составляет более 47 м/с, а при спокойном дыхании – менее 0,7 м/с.
  6. Пятая часть потребляемого всеми организмами воздуха вырабатываются зелеными насаждениями, за что они и называются «легкими планеты».
  7. Воздух не удастся увидеть, но опосредованными подтверждениями доказано, что у него синий цвет. Все заключается в том, что солнечные лучи, пробиваясь через толстый слой атмосферы, сталкиваются с воздушными частицами. В связи с этим белый свет разлагается на разноцветные компоненты. Сильнее же всего начинает рассеиваться синяя часть спектра, которая и улавливается человеческими глазами.
  8. Больше 90% всех простудных заболеваний люди получают именно в помещении, а не на свежем воздухе.

Человеком вдыхается пятая часть всего воздуха Земли.

То, что для полноценного дыхания человеку необходим кислород, известно даже детям. Но лишь некоторые знают, что в воздушной массе присутствует только 21% кислорода.

Большая часть воздушного потока включает в свой состав смолы газов и азота. Когда количество кислорода понижается, все живые организмы начинают ощущать негативное влияние. Известным является и то, что главный источник кислорода — это растения и именно они являются природным фильтром, поглощающим все примеси, которые есть в воздухе.

В помещении воздух намного грязнее, чем на улице

Американским ученым удалось выяснить, что воздух, который есть в помещении, в 30 раз грязнее, и люди его ежедневно вдыхают. На сегодняшний день за счет присутствия пластиковых окон и кондиционеров, дома людей превращаются в «вакуумные коробки», в которых воздух почти не циркулирует.

К этому всему стоит прибавить еще и испарения материалов, которые используются для внутренней отделки или при создании мебели. Вредные вещества, которые выделяются изготовлением пищи из кухни: дым и пары, тоже имеют свое влияние. Грибок, пыль от ковров и остальные «элементы комфортной жизни не менее загрязняют воздух в помещении. Все это в результате приводит к тому, что люди становятся склонными к заболеваниям. У них возникают аллергические реакции, проблемы с дыханием. По мнению ученых в одном глотке кислорода присутствует 2 столовых ложки аллергенов.

Каждую минуту человек вдыхает около четырех с половиной литров воздуха

  • Человеческие лёгкие за минуту времени могут переработать 4,5 литра воздуха. Легкие пропускают сквозь себя воздушный поток, забирая кислород и отдавая газ.
  • Интересным будет и тот факт, что общее количество поверхности лёгких у человека приравнивается к площади теннисного корта.

Когда человек чихает, за раз он выбрасывает в воздух от 2 до 5 тысяч микробов

Ученым из Массачусетского технологического института под руководством Лидии Буруйбы удалось описать процессы, которые происходят в человеческом организме при чихании и кашле. На языке физики и математики и за счет высокоскоростных камер это понять несложно. Динамика распространения выделений при таких физиологических процессах позволит лучше понять, как распространяется инфекция.

При просмотре видео на замедленной съемке от конца к началу, видно, как взрыв слизи и слюны, вылетает изо рта и распадается на мелкие капли в турбулентном облаке. Используя несколько таких записей, ученым удалось собрать много характеристик процесса чихания и кашля. Диаметр выделяемых при данных процессах капель, скорость и угол разлета также рассматривались.

Подсчеты показали, что частицы, порожденные кашлем или чиханием, могут пролететь расстояние длины средней комнаты и даже подняться вверх по вентиляционной шахте. Результаты такого непростого исследования показали, что микробы распространяются гораздо дальше и на дольше.

Искривленный позвоночник влияет на здоровье и дыхание

Зажатые и сутулые плечи, сжимают мышцы позвоночника человека, не давая таким образом возможности лёгким полностью раскрыться. Так, организм не способен полностью «насыщаться» кислородом, а впоследствии это отражается на здоровье и настроении.

Чтобы легкие наполнялись воздухом, спина должна быть ровной, а поэтому не стоит лишать организм самого главного. Важно дышать полной грудью.

Какой запас воздуха на планете?

Если удастся представить себе Землю в виде яблока, то количество кислорода, который нужен всему живому на планете, будут тончайшей яблочной кожурой. Так что воздуха не так уж и много, а поэтому есть, о чем задуматься.

На сегодня ученые утверждают, что в больших городах заметен дефицит кислорода, который смешался с промышленным выбросом, пылью и выхлопными газами. В воздухе летают аллергены и вирусы. И если «уличный воздух» люди не способны проконтролировать, то стоит поменять обстановку в своем жилье, обеспечивая чистоту воздуха там.

Можно для этого применить растения, которые не только приукрасят интерьер, но и окажутся очистителями воздуха. К примеру, такие растения, как лилии, бамбук и герберы, не только эффективно смотрятся в квартире, но и убирают вредоносные вещества, в особенности формальдегид, угарный газ и бензол.

Почему люди не могут жить в безвоздушной среде?

  1. Атмосфера Земли считается своего рода защитной подушкой. Если бы кислорода не было, то днем бы температура на планете была бы сильно высокой, а ночью – сильно низкой.
  2. Озон обеспечивает защиту всего живого от солнечной радиации, а более высокие слои атмосферы становятся на защиту Земли от метеоритов.

Загрязнение окружающей среды, атмосферы

Основными загрязнителями воздуха считаются диоксид углерода, угарный газ или оксид углерода, углеводороды, производные серы, производные азота и радиоактивные вещества.

Антропогенные источники загрязнения атмосферного воздуха — это предприятия металлургической, химической, топливной, машиностроительной промышленности, сельскохозяйственная деятельность, теплоэнергетические установки, отопление жилых помещений углём и дровами, а также транспорт.

Интересные факты говорят о том, что загрязнение в атмосфере – это главный фактор роста числа респираторных заболеваний, как острых, так и хронических. Вредные примеси, что содержатся в воздухе, способствуют развитию рака лёгких, болезни сердца и инсульта. Если верить оценкам ВОЗ, то из-за загрязнения воздуха в мире преждевременно умирает 3,7 млн человек в год.

«Свойства воздуха» 3 класс, Окружающий мир: доклад, как составить?

Чтобы составить доклад по окружающему миру на тему «Свойства воздуха», нам нужно для начала вспомнить какими же свойствами обладает воздух, дать ему характеристику, для чего нужен воздух. Теперь приступаем к разработке плана. Чтобы составить доклад, нужно нам текст разделить на части:

Вводная часть (введение), сюда мы отнесём с вами определение что такое воздух. далее

сам доклад о воздухе, всё что мы знаем, какой воздух, какими прилагательными можно его описать, для чего нужен воздух, где используют воздух, привести какие нибудь-примеры из своей жизни.

Заключительная часть (здесь мы подводим итог, какие мы сделали выводы, для чего нам нужен воздух, как следить за его чистотой).

Даём определение, что такое воздух — это по сути смесь газов. В составе воздуха присутствуют такие химические элементы, как кислород, азот, углекислый газ, ну и различные примеси в виде водных паров.

Теперь основная часть доклада. Перечислим какими свойствами обладает воздух:

Прозрачный,

Бесцветный,

Без вкуса,

Без запаха,

Воздух легче воды, поэтому он находиться над поверхностью воды, а вода как вы знаете простирается по земле.

Воздух по сути упругий и легко сживается, это можно заметить как мы делаем движения, нам ничего по сути не мешает и не останавливает руки если мы ими попытаемся воздух обнять.

Воздух теплый всегда будет легче холодного, так и в квартире мы ощущаем, что когда холодно по полу холодный воздух, а если мы поднимем руки к потолку, то ощутим тёплый.

Теперь ответим на вопрос, для чего же нам нужен воздух? Воздух повсюду, вокруг нас ,воздухом мы дышим, дышат растения. Воздух использовать можно для игры, например надувая воздухом воздушный шар.

В заключение можно сказать, что воздух необходим всем живым существам, и стараться его не загрязнять, а следить за его чистотой. Какое огромное значение и влияние в жизни имеет воздух вы сможете наглядно увидеть, рассмотрев картинку.

Теперь мы узнали о воздухе ,его свойствах, то чему мы раньше не придавали значения. По картинке мы можем составить предложения со словом воздух.

В воде есть воздух, кислород, рыбы плавают в воде.

Птица парит в воздухе.

Все живые существа дышат воздухом.

Шар летит по воздуху, благодаря нагреву воздуха в нём.

Деревья растут в воздухе, им нужен кислород, чтобы не погибнуть.

Самолёт летит в воздухе.

Основные свойства воздуха (стр. 1 )

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА

Рис. 1 Строение атмосферы

Атмосферой называется газовая оболочка, окружающая земной шар. Газ, составляющий эту оболочку, называется воздухом

Высота газовой оболочки Земли велика и составляет более 2000 км. Точно определить границу атмосферы трудно, так как переход от земной атмосферы к межпланетному пространству совершается плавно и на больших высотах плотность воздуха очень мала. Можно только отметить, что в пределах околоземного пространства до высоты 20 км находится около 95% всей массы атмосферного воздуха

Атмосфера разделяется на тропосферу, стратосферу и ионосферу. Такое разделение основано на физических свойствах этих слоев и характере их изменения с подъемом на высоту. Давление и плотность воздуха с увеличением высоты во всех трех слоях атмосферы уменьшается (Рис. 1)

Рис. 2 Изменение температуры воздуха по высотам для стандартных условий средней широты

Тропосферой называется нижний слой атмосферы. Толщина ее над полюсами 7 — 8 км, над экваторомкм, высота верхней границы изменяется в зависимости от характера поверхности Земли, атмосферных процессов, теплового состояния воздуха, а также от суточных и годовых изменений. Температура воздуха в тропосфере с подъемом на высоту падает (6,5° на каждые 1000 м), так как нагрев воздуха обусловливается основном отраженными от земной поверхности солнечными лучами. Изменение температуры воздуха с высотой приводит к перемещению воздушных масс, холодные верхние слои опускаются, а теплые поднимаются. Вследствие этого образуются облака, выпадают осадки, дуют ветры. Из-за перемещения воздушных масс состав воздуха тропосферы практически постоянен. В нем содержится 78% азота, 21% кислорода и около 1% других газов (аргон, углекислый газ, водород, неон, гелий). Кроме указанных газов в тропосфере сосредоточен почти весь водяной пар, находящийся в непрерывном кругообороте (испарение — конденсация и кристаллизация с облакообразованием — осадки). В нижних слоях тропосферы множество различных примесей в виде мельчайших твердых частиц (пыль). Содержание в воздухе тропосферы водяного пара и пыли приводит к ухудшению видимости.

Стратосфера — слой воздуха, лежащий непосредственно над воздушными слоями тропосферы. В ней наблюдается полное отсутствие облаков и наличие сильных ветров, дующих с большой скоростью и в одном направлении. Вертикальные перемещения воздушных масс отсутствуют. В стратосфере с высоты: на экваторе — 17 км, полюсе — 8 км, средней широте — 11 км и до высоты в среднем 25…30 км температура постоянна и составляет -56°С. С высоты 30 км и до 55 км температура воздуха повышается до +75°С вследствие повышенного содержания озона, который обладает способностью поглощать ультрафиолетовое излучение. С высоты 55 км и до 80 км температура воздуха понижается в среднем на 4°С на каждые 1000 м из-за уменьшения процентного содержания озона в воздухе. На высоте 82…83 км температура воздуха составляет -35°С (рис. 2).

Ионосфера — слой воздуха, лежащий непосредственно над воздушным слоем стратосферы. Высоты ионосферы от 85 до 500 км. Из-за наличия в ионосфере огромного количества ионов (заряженных молекул и атомов атмосферных газов, движущихся с большими скоростями) ее воздух сильно нагревается. Воздух ионосферы также характеризуется высокой проводимостью, преломлением, отражением, поглощением и поляризацией радиоволн. В ионосфере из-за вышеуказанных свойств наблюдаются свечения ночного неба, полярные сияния, магнитные бури.

ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА

Температура — величина, характеризующая степень теплового состояния тела (газа) или скорость хаотического движения молекул (чем выше температура, тем больше скорость их движения, и наоборот). Температуру воздуха можно измерять по двум шкалам: Цельсия и абсолютной шкале Кельвина. За нуль градусов по шкале Цельсия принято считать температуру таяния льда, а за 100° — температуру кипения воды при атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст.

Если известна температура воздуха у земли, то можно определить температуру воздуха в тропосфере на любой высоте по формуле:

tH=tO-6,5Н,

где tн — температура воздуха на определяемой высоте;

to — температура воздуха у земли;

Н — заданная высота, км.

Задача Температура воздуха у земли +10°С. Определить температуру воздуха над данным участком земли на высоте 7 км. Решение Тн= 10-6,5*7= — 35,50 Температура воздуха на высоте 7 км равна -35,5°С.

АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА

Температура, отсчитываемая от абсолютного нуля по шкале Кельвина, называется абсолютной температурой.

За нуль Кельвинов (К) принята температура, при которой прекращается тепловое передвижение молекул, она составляет-273° по шкале Цельсия (°С). Если известна температура воздуха t по шкале Цельсия, то абсолютную температуру можно найти по формуле:

T=t+To,

где То=-273К;

t — температура воздуха по шкале Цельсия.

Зная температуру воздуха у земли по шкале Цельсия, можно найти температуру воздуха на различных высотах по формуле:

T=273K+t-6,5H,

где Т — температура на высоте Н, К;

t — температура воздуха у земли, °С;

Н — высота, км.

ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА

Давление — это сила, действующая на единицу площади перпендикулярно к ней. Всякое тело, находящееся в неподвижном воздухе, испытывает со стороны последнего давление, одинаковое со всех сторон (закон Паскаля). Атмосферное давление объясняется тем, что воздух подобно всем другим веществам обладает весом и притягивается землей.

Атмосферным давлением называется давление, вызываемое весом вышележащих слоев воздуха и ударами его хаотически движущихся молекул. За единицу давления принята техническая атмосфера (атм.) — давление, равное одному килограмму силы на один квадратный сантиметр (кгс/см2). Давление обозначается буквой Р, на уровне моря — Ро.

По международной системе СИ давление измеряется в Паскалях, т. е. ньютонах на квадратный метр (Н/м2).

Барометрическое давление — это давление, измеренное в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Обозначается буквой В, на уровне моря — Во.

Стандартным барометрическим давлением называется давление на уровне моря в мм рт. ст. Оно в зависимости от температуры и влажности колеблется от 700 до 800 мм рт. ст. и в среднем равно 760 мм. рт. ст.

Давление по международной системе единиц СИ определяемся по формуле:

где Р — давление, кгс/см2;

р — сила, с которой давит 1 м3 воздуха;

S — площадь, см2.

Рис. 3 Манометр

Давление в 1 кгс/см2 равнозначно столбу ртути высотой 735,6 мм и называется технической атмосферой. Перевод давления из размерности мм рт. ст. в кгс/см2 производится по формуле:

где В — барометрическое давление.

В физике под барометрическим давлением 1 атм. подразумевается давление воздуха, равное 1,0332 кгс/см2 или стандартному барометрическому давлению 760 мм рт. ст.

При аэродинамических исследованиях часто приходится измерять разность давлений. Для этого используются ртутные приборы — манометры (Рис. 3). Для определения очень малых разностей давлений применяется чувствительный прибор — микроманометр, в котором используется жидкость более легкая, чем ртуть. Принцип работы следующий: один конец трубки (например, правый) подсоединяется к пространству с атмосферным давлением, второй — к поверхности измеряемого участка (там, где давление больше или меньше атмосферного) допустим, что меньше. Уровень ртути в левом колене повысится, так как на поверхность ртути давит меньшее давление. Разность уровней и покажет разность давления:

h=Po-P1.

ПЛОТНОСТЬ ВОЗДУХА

Плотность воздуха — это количество воздуха, содержащегося в 1 м3 объема. В физике существует понятие двух видов плотности — весовая (удельный вес) и массовая. В аэродинамике чаще всего пользуются массовой плотностью. Весовая плотность (удельный вес) воздуха — это вес воздуха в объеме 1 м3. Обозначается буквой g.

где g — удельный вес, кгс/м3;

G — вес воздуха, кгс;

v — объем воздуха, м3.

Вес воздуха G — величина непостоянная и изменяется в зависимости от географической широты и силы инерции, возникающей от вращения Земли вокруг своей оси. На полюсах вес воздуха на 5% больше, чем на экваторе.

Установлено, что 1 м3 воздуха при стандартных атмосферных условиях (барометрическое давление 760 мм рт. ст., t=+15°С) весит 1,225 кгс, следовательно, весовая плотность (удельный вес) 1 м3 объема воздуха в этом случае равна g=1,225 кгс/м3.

Массовая плотность воздуха — это масса воздуха в объеме 1 м3. Обозначается греческой буквой р. Масса тела — величина постоянная. За единицу массы принята масса гири из иридистой платины, хранящейся в Международной палате мер и весов в Париже.

Согласно второму закону Ньютона определим, что масса воздуха равна его весу, деленному на ускорение силы тяжести.

где m — масса тела, кг с2/м.

Массовая плотность воздуха (в кг с2/м4) равна

Массовая плотность и весовая плотность (удельный вес) воздуха связаны зависимостью

Зная это соотношение, легко определить, что массовая плотность воздуха при стандартных атмосферных условиях равна:

Изменения массовой и весовой плотности воздуха до высоты 5 км показаны в табл. 1.

Таблица 1

ЗАВИСИМОСТЬ ПЛОТНОСТИ ВОЗДУХА ОТ ЕГО ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ

При изменении давления и температуры изменяется плотность воздуха. Плотность воздуха (в кгс×с2м4) непосредственно не измеряется, а определяется по формуле:

где В — барометрическое давление, мм рт. ст.;

Т-температура воздуха по шкале Кельвина.

Согласно закону Бойля-Мариотта плотность воздуха будет тем больше, чем больше давление, а согласно закону Гей-Люссака плотность воздуха тем больше, чем меньше температура воздуха. Объединив эти два закона для определения зависимости между плотностью, давлением и температурой воздуха, получим уравнение состояния газа (закон Бойля-Мариотта — Гей-Люссака)

Pv=RT,

где Р — давление, кгс/м2;

v — удельный объем, м/кг;

R — газовая постоянная, кгс м/кг град или Дж/кгК (для воздуха равная 27,3).

Задача 1 Определить массовую плотность воздуха на уровне моря, если барометрическое давление В =800 мм рт. ст., а температура воздуха t = — 23°C.

Решение.

Массовая плотность больше стандартной, так как барометрическое давление больше стандартного, а температура ниже стандартной.

Таким образом, можно сделать заключение, что чем выше давление и ниже температура, тем больше плотность воздуха. Поэтому наибольшая плотность воздуха зимой в морозную погоду, а наименьшая летом в теплую погоду. Также следует заметить, что плотность влажного воздуха меньше, чем сухого (при одних и тех же условиях). Поэтому иногда учитывают и влажность, вводя при этом в расчеты соответствующие изменения.

С высотой плотность воздуха падает, так как давление в большей степени падает, чем понижается температура воздуха. В стратосфере (примерно с высоты 11 км и до 32 км) температура почти постоянна, и поэтому плотность воздуха падает пропорционально уменьшению давления

МЕЖДУНАРОДНАЯ СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА

Изменение основных параметров воздуха (давления, температуры и плотности) влияет на величину сил, возникающих при движении самолета в воздушном потоке. Поэтому при полетах в разных метеорологических и климатических условиях изменяются летные и аэродинамические характеристики самолетов.

Чтобы охарактеризовать летные и аэродинамические данные самолетов при одинаковых параметрах воздуха, всеми странами принята единая Международная стандартная атмосфера (МСА). Таблица МСА составлена на основании среднегодовых условий средних широт (широта около 45°) на уровне моря при влажности нуль процентов и следующих параметрах воздуха:

барометрическое давление В =760 мм рт. ст. (Ро= 10330 кгс/м2);

температура t=+15°C (То=288 К);

массовая плотность rо=0,125 кгс см4;

удельный вес — g =1,225 кгс/см3.

Согласно МСА температура воздуха в тропосфере падает на 6,5°С на каждые 1000 м. В данном учебнике приводится часть таблицы МСА до высоты 5 км.

Международная стандартная атмосфера используется при градуировании пилотажно-навигационных и других приборов, при инженерных и конструкторских расчетах.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА

На характер обтекания самолета воздушным потоком и на величину сил, возникающих при взаимодействии частей самолета и воздушного потока, существенное влияние оказывают физические свойства воздуха: инертность, вязкость, сжимаемость.

Инертность — свойство воздуха сопротивляться изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения (второй закон Ньютона). Мерой инертности является массовая плотность воздуха. Чем больше массовая плотность воздуха, тем большую силу необходимо приложить к воздуху, чтобы вывести его из состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Следовательно, чем больше сила самолета, действующего на воздух, тем больше сила, действующая со стороны воздуха на самолет (третий закон Ньютона).

Вязкость-свойство воздуха сопротивляться взаимному сдвигу частиц. Молекулы воздуха обладают определенной скоростью беспорядочного хаотического движения, зависящего от температуры, а также скоростью общего поступательного движения. Попадая из быстро движущегося слоя в медленный, молекулы ускоряют движение медленно движущихся молекул, и наоборот — медленно движущиеся молекулы, попадая в быстро движущийся слой воздуха, притормаживают быстро движущиеся молекулы.

При движении самолета в воздушном потоке возникает сопротивление трения, которое определяет вязкость воздуха. Вязкость воздуха также определяет динамический коэффициент вязкости Чем больше температура воздуха, тем больше коэффициент вязкости, обусловленный увеличением хаотического движения молекул и ростом эффективности воздействия одного слоя воздуха на другой.

Сжимаемость — свойство воздуха изменять свою плотность при изменении давления.

Самолеты Як-52 и Як-55 летают на скоростях менее 450 км/ч, при которых существенного изменения давления при обтекании самолета воздушным потоком не происходит и сжимаемость воздуха на аэродинамические характеристики и летные данные самолетов влияния практически не оказывает.

СЖИМАЕМОСТЬ ВОЗДУХА И СКОРОСТЬ ЗВУКА

Помимо стационарных движений газовых потоков в аэродинамике изучаются и некоторые нестационарные процессы, например образование и распространение звуковых волн.

Способность воздуха сжиматься объясняется большими расстояниями между молекулами. Так как у любого газа (а следовательно, и воздуха) межмолекулярные силы сцепления малы, то газ, всегда стремясь расшириться, занимает весь предоставленный ему объем.

Таким образом, воздух при изменении объема или сжимается или расширяется. При этом соответственно изменяется и его плотность: при увеличении объема она уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Количественно сжимаемость оценивается отношением изменения плотности Dr к изменению давления DР, т. е. их относительной величиной..Это отношение будет являться мерой сжимаемости. Чем больше отношение тем больше сжимаем этот газ (или воздух).

Со сжимаемостью связана скорость распространения в воздухе звуковых волн.

Под звуковыми волнами следует понимать всякие малые возмущения плотности и давления, распространяющиеся в воздухе, а под скоростью звука — скорость распространения этих возмущений.

СКАЧКИ УПЛОТНЕНИЯ

Рассмотрим картину распространения звуковых волн (малых возмущений) при движении источника возмущений (источника звука).

Рис. 4 Распространение волн слабых возмущений иг источников возмущений, движущихся с различными скоростями

Если источник возмущений неподвижен, то волны будут распространяться с одинаковой скоростью во все стороны в виде концентрических сфер, в центре которых находится источник возмущения. Каждое возмущение (звуковая волна) представляет собой местное уплотнение молекул воздуха, которое передается от одного слоя молекул к другому, удаляясь от источника возмущения (Рис. 4, а).

При движении точечного источника возмущения со скоростью, меньшей скорости звука, звуковые волны идут как вперед, так и назад (Рис. 4, б). В результате сферические волны будут смещены в сторону, обратную движению источника возмущений, однако источник останется внутри сфер.

Если скорость движения точечного источника возмущений сравняется со скоростью звука, то возмущения, вызванные источником, не успевают уйти от источника и в месте нахождения источника возмущений в каждый данный момент происходит наложение возмущений друг на друга. Образовавшаяся в результате этих наложений фронтальная поверхность разделяет пространство на две области: возмущенную (сзади источника) и невозмущенную (перед источником), как показано на Рис. 4, в.

При движении точечного источника возмущений со скоростью, превышающей скорость движения звуковой волны (скорость звука), возмущения, им создаваемые, должны оставаться позади источника (Рис. 4, г). Область, в которой распространяются малые возмущения от точечного источника возмущений, называется конусом слабых возмущений. Внутри конуса среда возмущена, вне конуса находится область, где возмущений от данного источника нет. Поверхность конуса служит естественной границей, разделяющей среду на две области — возмущенную и невозмущенную. Эту поверхность называют граничной волной слабых возмущений или границей возмущений. Граничные волны слабых возмущений образуются при движении со скоростью, превышающей скорость звука не только материальной точки, но и тонких тел с острой передней кромкой, а также при обтекании сверхзвуковым потоком поверхностей крыла, фюзеляжа и других частей самолета. Угол j между границей возмущений и направлением движения источника возмущений называется углом малых возмущений.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Все вещества (твердые, жидкие, газообразные) состоят из молекул. Молекула — это частица, обладающая свойствами вещества.

Установлено, что при температуре нуль градусов и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. в каждом 1 см3 содержится 2,7-1019 молекул, а линейный размер молекулы составляет (имеет порядок) 1*10-8 мм.

Состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное) характеризуется расстоянием между молекулами. Все молекулы имеют свойство взаимного притяжения и отталкивания, зависящее от расстояния между ними.

У твердых тел расстояния между молекулами очень малы и силы взаимного притяжения молекул велики. Молекулы совершают незначительные колебательные движения. У жидких веществ расстояния между молекулами больше, они движутся в разных направлениях. Но силы притяжения еще достаточно велики и молекулы не отрываются друг от друга.

У газообразных веществ расстояния между молекулами значительно больше самих молекул, взаимное притяжение очень мало, молекулы движутся в различных направлениях и с различной скоростью. При движении молекулы испытывают около нескольких миллиардов столкновений в секунду, меняя при этом направление и скорость.

Каждая молекула при поступательном движении обладает кинетической энергией

где Екин — кинетическая энергия молекулы, Дж;

m — масса молекулы, кг;

V — скорость движения молекулы, м/с.

Если в уравнение Клаузиуса (1.1) (основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов) подставить значения уравнения Бойля-Мариотта — Гей-Люссака (1.2)

(1.1)

(1.2)

то получим: (1.3)

где Екин-кинетическая энергия, Дж;

R-газовая постоянная, Дж/кг К (или кгс м/кг трад);

Т — температура, К;

v-удельный объем воздуха, м3кг.

Разделив R на No (число Авогадро, показывающее число молекул в грамм-молекуле газа и равное » 6,02•1023 1/моль), получим отношение, которое называется постоянной Больцмана К, равная 5,67 гс-3К-4.

Подставим К в уравнение (1.3), получим уравнение кинетической энергии одной молекулы газа.

(1.4)

Энергия всех молекул вместе рассматривается как внутренняя энергия вещества. При понижении температуры вещества (газа) энергия хаотически движущихся молекул понижается. Из уравнения можно сделать вывод, что кинетическая энергия молекул зависит только от температуры газа и не зависит от изменения объема, в который газ заключен.

Согласно молекулярно-кинетической теории воздух рассматривается как совокупность большого количества молекул. Свободный пробег молекул по сравнению с размерами частей самолета ничтожно мал, поэтому воздух рассматривают как сплошную среду, в которой отдельные частицы соприкасаются друг с другом. Частица воздуха — это огромное скопление молекул, которые находятся в хаотическом движении независимо от того, находится ли частица в движении или в покое. Средняя скорость молекул, составляющих частицу, отличается от средней скорости хаотического движения на величину скорости движения частицы в данной среде и в данном направлении.

УСТАНОВИВШИЙСЯ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

Установившимся воздушным потоком называется такое течение воздуха, при котором скорость потока в любой точке, а также основные параметры (давление, температура и плотность) не изменяются с течением времени. То есть, если через определенные промежутки времени мы в одной и той же точке будем измерять скорость и другие параметры воздуха и при всех измерениях величины параметров одинаковы, то этот воздушный поток установившийся. Если же измеряемые величины меняются, то поток — неустановившийся. В аэродинамике рассматривают только установившийся воздушный поток. Основным понятием аэродинамики является понятие элементарной струйки воздуха.

Элементарная струйка — это мысленно выделенный поток (небольшой замкнутый контур в виде трубки), через боковую поверхность которого воздух протекать не может ни вовнутрь, ни наружу.

ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

Ламинарный — это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.

ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ

Пограничный слой — это слой, в котором скорость воздуха изменяется от нуля до величины, близкой к местной скорости воздушного потока.

При обтекании тела воздушным потоком (Рис. 5) частицы воздуха не скользят по поверхности тела, а тормозятся, и скорость воздуха у поверхности тела становится равной нулю. При удалении от поверхности тела скорость воздуха возрастает от нуля до скорости течения воздушного потока.

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от профиля тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней к задней кромке. В пограничном слое характер движения частиц воздуха отличается от характера движения вне его.

Рассмотрим частицу воздуха А (Рис. 6), которая находится между струйками воздуха со скоростями U1 и U2, за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.

Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю, которая по мере удаления от тела размывается и исчезает. Завихрения в спутной струе попадают на хвостовое оперение самолета и снижают его эффективность, вызывают тряску (явление Бафтинга).

Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (Рис. 7). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.

Рис. 5 Изменение скорости течения воздуха в пограничном слое

Рис. 6 Обтекание тела воздушным потоком — торможение потока в пограничном слое

Рис. 7 Ламинарное и турбулентное течение

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.

Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент Cf. Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:

(1.5)

для турбулентного слоя

(1.6)

где Re — число Рейнольдса, выражающее отношение инерционных сил к силам трения и определяющее отношение двух составляющих — профильное сопротивление (сопротивление формы) и сопротивление трения. Число Рейнольдса Re определяется по формуле:

где V — скорость воздушного потока,

I — характер размера тела,

g — кинетический коэффициент вязкости сил трения воздуха.

При обтекании тела воздушным потоком в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Эта точка называется точкой перехода. Расположение ее на поверхности профиля тела зависит от вязкости и давления воздуха, скорости струек воздуха, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки профиля, чем достигается уменьшение сопротивления трения. Для этой цели применяют специальные ламинизированные профили, увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.

При увеличении скорости воздушного потока или увеличении угла положения тела относительно воздушного потока до определенной величины в некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, при этом резко уменьшается давление за этой точкой.

В результате того, что у задней кромки тела давление больше чем за точкой отрыва, происходит обратное течение воздуха из зоны большего давления в зону меньшего давления к точке отрыва, которое влечет за собой отрыв воздушного потока от поверхности тела (Рис. 8).

Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.

УРАВНЕНИЕ НЕРАЗРЫВНОСТИ СТРУИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

Уравнение неразрывности струи воздушного потока (постоянства расхода воздуха) — это уравнение аэродинамики, вытекающее из основных законов физики — сохранения массы и инерции — и устанавливающее взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.

Рис. 8 Течение в пограничном слое вблизи точки отрыва

Рис. 9 Пояснение к закону неразрывности струи воздушного потока

При рассмотрении его принимают условие, что изучаемый воздух не обладает свойством сжимаемости (Рис. 9).

В струйке переменного сечения через сечение I протекает за определенный промежуток времени секундный объем воздуха, этот объем равен произведению скорости воздушного потока на поперечное сечение F.

Секундный массовый расход воздуха m равен произведению секундного расхода воздуха на плотность р воздушного потока струйки. Согласно закону сохранения энергии, масса воздушного потока струйки m1, протекающего через сечение I (F1), равна массе т2 данного потока, протекающего через сечение II (F2), при условии, если воздушный поток установившийся:

m1=m2=const, (1.7)

m1F1V1=m2F2V2=const. (1.8)

Это выражение и называется уравнением неразрывности струи воздушного потока струйки.

Так как мы рассматриваем несжимаемый воздушный поток, где плотность струи r1 сечения f1 равна плотности струи r2 сечения F2, r1=r2=const, то уравнение можно записать в следующем виде:

F1V1=F2V2= const. (1.9)

Итак, из формулы видно, что через различные сечения струйки в определенную единицу времени (секунду) проходит одинаковый объем воздуха, но с разными скоростями.

Запишем уравнение (1.9) в следующем виде:

Из формулы видно, что скорость воздушного потока струи обратно пропорциональна площади поперечного сечения струи и наоборот.

Тем самым уравнение неразрывности струи воздушного потока устанавливает взаимосвязь между сечением струи и скоростью при условии, что воздушный поток струи установившийся.

СТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ И СКОРОСТНОЙ НАПОР УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ

Самолет, находящийся в неподвижном или подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороны последнего давление, в первом случае (когда воздушный поток неподвижен) — это статическое давление и во втором случае (когда воздушный поток подвижен) — это динамическое давление, оно чаще называется скоростным напором. Статическое давление в струйке аналогично давлению покоящейся жидкости (вода, газ). Например: вода в трубе, она может находиться в состоянии покоя или движения, в обоих случаях стенки трубы испытывают давление со стороны воды. В случае движения воды давление будет несколько меньше, так как появился скоростной напор.

Согласно закону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различных сечениях струйки воздуха есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии сил давления, внутренней энергии потока и энергии положения тела. Эта сумма — величина постоянная:

Екин+Ер+Евн+Еп=сопst (1.10)

Кинетическая энергия (Екин) — способность движущегося воздушного потока совершать работу. Она равна

(1.11)

где m — масса воздуха, кгс с2м; V-скорость воздушного потока, м/с. Если вместо массы m подставить массовую плотность воздуха р, то получим формулу для определения скоростного напора q (в кгс/м2)

. (1.12)

Потенциальная энергия Ер — способность воздушного потока совершать работу под действием статических сил давления. Она равна (в кгс-м)

Ep=PFS, (1.13)

где Р — давление воздуха, кгс/м2; F — площадь поперечного сечения струйки воздушного потока, м2; S — путь, пройденный 1 кг воздуха через данное сечение, м; произведение SF называется удельным объемом и обозначается v, подставляя значение удельного объема воздуха в формулу (1.13), получим

Ep=Pv. (1.14)

Внутренняя энергия Евн — это способность газа совершать работу при изменении его температуры:

(1.15)

Из уравнения видно, что внутренняя энергия воздушного потока прямо пропорциональна его температуре.

Энергия положения En — способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжести данной массы воздуха при подъеме на определенную высоту и равна

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9

Воздух, свойства и химический состав.

Воздух – смесь газов главным образом из азота и кислорода – 98-99 % в сумме, а также аргона, углекислого газа, водорода, образующая земную атмосферу.

Воздух, роль и значение воздуха

Свойства воздуха

Химический состав воздуха. Из чего состоит воздух? Компоненты воздуха

Физические свойства воздуха


Воздух, роль и значение воздуха:

Воздух – смесь газов главным образом из азота и кислорода – 98-99 % в сумме, а также аргона, углекислого газа, водорода, образующая земную атмосферу.

В России действует Федеральный закон от 04.05.1999 № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха», которым дано понятие атмосферного воздуха.

Атмосферный воздух – жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных.

Воздух окружает планету Земля, образуя атмосферу планеты. Он удерживается гравитацией Земли. Атмосфера Земли защищает жизнь на земле, создавая давление, позволяющее жидкой воде существовать на поверхности Земли, поглощая вредное ультрафиолетовое солнечное излучение, нагревая поверхность за счет удержания тепла (парниковый эффект) и уменьшая перепады температур между днем и ночью (суточное изменение температуры).

Воздух необходим для нормального существования на Земле живых организмов. Без воздуха невозможна жизнь человека. Для человека жизненно важной составной частью воздуха является кислород. 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).

Если без еды человек может продержаться несколько недель, без воды – несколько дней, то без воздуха – только несколько минут (1 минуту – обычный человек и 5 минут – тренированные ныряльщики).

Общая масса воздуха на Земле составляет 5,13․1015 т и оказывает на поверхность Земли давление, равное на уровне моря в среднем 1,0333 кг на 1 см3.


Свойства воздуха:

Воздух не имеет цвета, вкуса и запаха. Полностью прозрачен.

Воздух сжимаем и упруг.

Теплый воздух легче холодного. Воздух сжимается при охлаждении и расширяется при нагревании.

Воздух сохраняет тепло и практически не пропускает его.

Он всегда заполняет весь объём и содержится везде, где есть пустое пространство.

Воздух необходим для процессов горения.

Химический состав воздуха. Из чего состоит воздух? Компоненты воздуха:

То, что воздух является смесью газов, а не простым веществом, было впервые экспериментально доказано в 1754 году Джозефом Блэком.

Примечание:

* в пересчете на сухой воздух (без водяного пара).

** концентрация водяного пара значительно варьируется от примерно 0,0001 % по объему в самых холодных частях атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных воздушных массах (в пересчете на сухой воздух).

*** водяной пар составляет около 0,25% по массе от массы всей атмосферы.

Многие вещества природного происхождения также могут присутствовать в воздухе в локально и сезонно изменяющихся малых количествах в виде аэрозолей. К ним относятся пыль, состоящая из различных минеральных и органических веществ (например, серы и сернистых соединений: сероводорода, диоксида серы и пр.), пыльца и споры, морские брызги и вулканический пепел.

Кроме того, различные промышленные загрязнители (сера, хлор и их соединения, пр.) могут присутствовать в воздухе в виде газов или аэрозолей.

Состав воздуха может меняться в небольших пределах: в крупных городах содержание углекислого газа немного выше, чем в лесах; в высокогорье и на больших высотах концентрация кислорода немного ниже вследствие того, что молекулы кислорода тяжелее молекул азота, и поэтому концентрация кислорода с высотой уменьшается быстрее.

Азот – основной компонент воздуха (78,084 % по объему и 75,5 % по массе) и один из самых распространённых элементов на Земле.

Азот является химическим элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16-18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2 %, по массовой доле – около 2,5 % (четвёртое место после водорода, углерода и кислорода).

Как простое вещество представляет собой двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Химически весьма инертен.

Разделяя воздух на составные компоненты, получают промышленный азот. Более ¾ промышленного азота идёт на синтез аммиака, а остальная ¼ применяется в промышленности как инертная среда для множества технологических процессов. Жидкий азот используется как хладагент.

Кислород – второй по распространенности после азота компонент воздуха. В воздухе его содержится 20,9476 % по объему и 23,15 % по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют порядка 99% всего атмосферного воздуха.

С начала кембрийского периода (кембрия) – 540 миллионов лет назад – содержание кислорода в воздухе колебалось от 15 % до 30 % по объёму. К концу каменноугольного периода (около 300 миллионов лет назад) его уровень достиг максимума в 35 % по объёму, который, возможно, способствовал большому размеру насекомых и земноводных в это время.

В дальнейшем содержание кислорода в воздухе уменьшилось до современных объемов и стабилизировалось.

Кроме того, кислород – это также самый распространённый в земной коре элемент, на его долю (в составе более 1500 соединений различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода – 85,82 % (по массе).

Кислород – химически активный неметалл. Как простое вещество при нормальных условиях представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (химическая формула O2).

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. Он входит в состав белков, жиров, углеводов, аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле – около 65 %.

Биологическая роль кислорода заключается в том, что большинство живых организмов дышат кислородом. Молекулярный кислород используется живыми организмами для процессов синтеза энергии.

Переход кислорода из атмосферного воздуха в кровь и из крови в ткани зависит от разницы в его парциальном давлении, поэтому биологическое значение имеет парциальное давление кислорода, а не процентное содержание его в воздухе. На уровне моря парциальное давление кислорода равно 160 мм. При снижении его до 140 мм у человека появляются первые признаки гипоксии. Снижение парциального давления до 50-60 мм опасно для жизни.

Кислород постоянно пополняется в атмосфере Земли путем его фотосинтеза растениями, цианобактериями и зелеными водорослями. По некоторым оценкам, зеленые водоросли и цианобактерии в морской среде обеспечивают около 70% свободного кислорода, вырабатываемого на Земле, а остальная часть производится наземными растениями и деревьями.

Аргон – третий по распространенности после азота и кислорода компонент воздуха. В воздухе его содержится 0,934 % по объему и 1,292 % по массе.

Простое вещество аргон – инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Химически инертен.

Аргон не играет никакой заметной биологической роли. Вместе с тем вдыхание аргона может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Углекислый газ (диоксид углерода, двуокись углерода) – бесцветный газ (в нормальных условиях), почти без запаха (в больших концентрациях с кисловатым «содовым» запахом – запахом газированной воды). Концентрация углекислого газа в атмосфере 0,0314 % по объему и 0,046 % по массе. Тяжелее воздуха приблизительно в 1,5 раза.

Углекислый газ легко пропускает излучение в ультрафиолетовой и видимой частях спектра, которое поступает на Землю от Солнца и обогревает её. В то же время он поглощает испускаемое Землёй инфракрасное излучение и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Углекислый газ образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма в клетках тканей живых организмов. Далее углекислый газ переносится от тканей по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Организм человека выделяет приблизительно 1 кг углекислого газа в сутки.

Углекислый газ участвует в процессах фотосинтеза. Поэтому с марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО2 в атмосфере падает, а с октября по февраль – повышается.

Углекислый газ нетоксичен. Но при вдыхании его повышенных концентраций в воздухе по воздействию на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам. По ГОСТу 8050-85 углекислота относится к 4-му классу опасности.

Углекислый газ – возбудитель дыхательного центра. При его концентрации в воздухе 0,5% и выше отмечается увеличение легочной вентиляции. Незначительные повышения концентрации, вплоть до 2-4 %, в помещениях приводят к развитию у людей сонливости и слабости. Опасными для здоровья концентрациями считаются концентрации около 7-10 %, при которых развиваются симптомы удушья, проявляющиеся в виде головной боли, головокружения, расстройстве слуха и в потере сознания (симптомы, сходные с симптомами высотной болезни), эти симптомы развиваются, в зависимости от концентрации, в течение времени от нескольких минут до одного часа. При вдыхании воздуха с очень высокими концентрациями углекислого газа, несмотря на большую концентрацию кислорода в воздухе, смерть наступает очень быстро от удушья, вызванного гипоксией.

Неон – инертный одноатомный газ без цвета и запаха. Концентрация неона в воздухе 0,001818 % по объему и 0,0014 % по массе.

Заметной биологической роли не играет. Вместе с тем вдыхание неона может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Неон наряду с гелием в составе неоно-гелиевой смеси используется для дыхания океанавтов, водолазов, людей, работающих при повышенных давлениях, чтобы избежать газовой эмболии и азотного наркоза. Преимущество смеси в том, что она меньше охлаждает организм, так как теплопроводность неона меньше, чем гелия.

Метан – простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха.

Концентрация метана в воздухе 0,0002 % по объему и 0,000084 % по массе. Метан почти в два раза легче воздуха.

Метан в смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен.

Метан является парниковым газом, более сильным в этом отношении, чем углекислый газ. Его вклад в парниковый эффект составляет 4-9 %. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность того же молярного объёма метана составит 21-25 единиц.

Метан по токсикологической характеристике относится к веществам 4-го класса опасности (малоопасным веществам) по ГОСТ 12.1.007.

Гелий – инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Концентрация гелия в воздухе 0,000524 % по объему и 0,000073 % по массе.

Гелий не несёт какой-либо биологической функции. Вместе с тем вдыхание гелия может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Криптон – инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Концентрация криптона в воздухе 0,000114 % по объему и 0,0003 % по массе.

Криптон не несёт какой-либо биологической функции. Вместе с тем вдыхание криптона может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Водород – самый лёгкий из элементов периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Концентрация водорода в воздухе 0,00005 % по объему и 0,00008 % по массе.

При стандартных температуре и давлении водород – бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ с химической формулой H2, который в смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен.

В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений. Лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере.

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках, где по числу атомов на водород приходится почти 63 %.

Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле и в живых организмах, почти так же велико, как и кислорода.

Будучи компонентом воздуха водород (как компонент воздуха) заметной биологической роли не играет.Ксенон – инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Концентрация ксенона в воздухе 0,0000087 % по объему и 0,00004 % по массе.

Ксенон не несёт какой-либо биологической функции. Вместе с тем вдыхание ксенона может быть опасно для здоровья, в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород.

Водяной пар – один из компонентов воздуха. Его концентрация значительно варьируется от примерно 0,0001 % по объему в самых холодных частях атмосферы до 5% по объему в горячих, влажных воздушных массах (в пересчете на сухой воздух). Водяной пар составляет около 0,25% по массе от массы всей атмосферы.

Концентрация водяного пара в воздухе зависит от температуры, влажности, времени года и климата. Так, при температуре 0 °C 1 м³ воздуха может содержать максимально 5 г воды, а при температуре +10 °C – уже 10 г.

Вода (оксид водорода) – это бинарное неорганическое соединение с химической формулой H2O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного – кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. При нормальных условиях вода представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса. В твёрдом состоянии вода называется льдом (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразном – водяным паром.

Физические свойства воздуха:

Наименование параметра Значение
Цвет бесцветный
Вкус без вкуса
Запах без запаха
Прозрачность полностью прозрачен
Средняя молярная масса (средняя масса одного моля вещества), г/моль 28,98
Плотность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атм.), кг/м3 1,29
Плотность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па или 1 атм.), г/см3 0,00129
Температура кипения воздуха при нормальном атмосферном давлении, оС -192
Температура плавления воздуха при нормальном атмосферном давлении, оС -213
Средняя удельная теплоемкость при постоянном давлении (101 325 Па или 1 атм.), кДж / (кг·К) 1,006
Средняя удельная теплоемкость при постоянном объеме (при нормальном атмосферном давлении), кДж/(кг·К) 0,717
Показатель адиабаты воздуха (отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме) (при нормальном атмосферном давлении) 1,40
Теплопроводность воздуха при 0 ℃ и нормальном атмосферном давлении, Вт / (м·К) 0,0243
Скорость звука в воздухе при нормальных условиях, м/с (км/ч) 331 (1193)
Средний коэффициент теплового расширения воздуха в интервале температур 0-100°C (изменение объема при постепенном увеличении температуры при постоянном нормальном атмосферном давлении), 1/К 3,67·10−3
Коэффициент динамической вязкости воздуха при нормальных условиях и нормальном атмосферном давлении (динамическая вязкость – внутреннее сопротивление молекул движению внутри вещества согласно закону Ньютона), мкПа·с 17,2
Растворимость воздуха в воде, см3/л 29,18
Показатель преломления воздуха при нормальных условиях и нормальном атмосферном давлении (показатель преломления означает изменение угла движения световых и любых других волн в веществе) 1,0002926
Коэффициент изменения показателя преломления (при нормальных условиях и нормальном атмосферном давлении), 1/Pa 2,8·10−9
Средняя поляризуемость молекулы (при нормальных условиях и нормальном атмосферном давлении) 1,7·10−30

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *