Mnogi ljudi mogu biti iznenađeni činjenicom da zrak ima određenu težinu različitu od nule. Tačnu vrijednost ove težine nije tako lako odrediti, jer na nju snažno utiču faktori kao što su hemijski sastav, vlažnost, temperatura i pritisak. Pogledajmo pobliže pitanje koliko je zraka težak.
Šta je zrak
Prije odgovora na pitanje kolika je težina zraka, potrebno je razumjeti o čemu se radi. Vazduh je gasovita ljuska koja postoji oko naše planete, a koja je homogena mešavina raznih gasova. Vazduh sadrži sledeće gasove:
- azot (78,08%);
- kiseonik (20,94%);
- argon (0,93%);
- vodena para (0,40%);
- ugljični dioksid (0,035%).
Pored gore navedenih gasova, vazduh sadrži i minimalne količine neona (0,0018%), helijuma (0,0005%), metana (0,00017%), kriptona (0,00014%), vodonika (0,00005%), amonijak (0,0003%).
Zanimljivo je to primijetitiOve komponente možete odvojiti ako kondenzujete vazduh, odnosno pretvorite ga u tečno stanje povećanjem pritiska i smanjenjem temperature. Pošto svaka komponenta vazduha ima svoju temperaturu kondenzacije, na ovaj način je moguće izolovati sve komponente od vazduha, što se i koristi u praksi.
Težina vazduha i faktori koji na nju utiču
Šta vas sprečava da tačno odgovorite na pitanje, koliko teži kubni metar vazduha? Naravno, niz faktora koji mogu u velikoj mjeri uticati na ovu težinu.
Prvo, to je hemijski sastav. Iznad su podaci za sastav čistog zraka, međutim, trenutno je ovaj zrak jako zagađen na mnogim mjestima na planeti, odnosno njegov sastav će biti drugačiji. Dakle, u blizini velikih gradova, zrak sadrži više ugljičnog dioksida, amonijaka, metana nego zrak u ruralnim područjima.
Drugo, vlažnost, odnosno količina vodene pare sadržana u atmosferi. Što je zrak vlažniji, to je manje težine, pod jednakim uvjetima.
Treće, temperatura. Ovo je jedan od bitnih faktora, što je njegova vrijednost manja, to je veća gustina zraka, a samim tim i veća njegova težina.
Četvrto, atmosferski pritisak, koji direktno odražava broj molekula zraka u određenoj zapremini, odnosno njegovu težinu.
Da bismo razumeli kako kombinacija ovih faktora utiče na težinu vazduha, uzmimo jednostavan primer: masa jednog metra suvog kubnog vazduha na temperaturi od 25°C, koji se nalazi blizu površine zemlje,iznosi 1,205 kg, ali ako uzmemo u obzir sličnu zapreminu zraka u blizini površine mora na temperaturi od 0 °C, tada će njegova masa već biti jednaka 1,293 kg, odnosno povećat će se za 7,3%.
Promena gustine vazduha sa visinom
Kako visina raste, pritisak vazduha opada, odnosno smanjuje se njegova gustina i težina. Atmosferski vazduh pri pritiscima koji se posmatraju na Zemlji može se smatrati idealnim gasom u prvoj aproksimaciji. To znači da su pritisak i gustina vazduha međusobno matematički povezani kroz jednadžbu stanja idealnog gasa: P=ρRT/M, gde je P pritisak, ρ je gustina, T temperatura u kelvinima, M je molarna masa zraka, R je univerzalna plinska konstanta.
Iz gornje formule možete dobiti formulu za zavisnost gustine vazduha od visine, s obzirom da se pritisak menja po zakonu P=P0+ρ gh, gdje je P 0 - pritisak na površini zemlje, g - ubrzanje slobodnog pada, h - visina. Zamjenom ove formule za pritisak u prethodni izraz i izražavanjem gustine, dobijamo: ρ(h)=P0M/(RT(h)+g(h) M h). Koristeći ovaj izraz, možete odrediti gustinu zraka na bilo kojoj visini. Shodno tome, težina vazduha (tačnije, masa) određena je formulom m(h)=ρ(h)V, gde je V data zapremina.
U izrazu za zavisnost gustine od visine može se primetiti da temperatura i ubrzanje slobodnog pada takođe zavise od visine. Posljednju ovisnost možemo zanemariti ako govorimo o visinama ne većim od 1-2 km. Što se tiče temperature, tozavisnost od nadmorske visine dobro je opisana sljedećim empirijskim izrazom: T(h)=T0-0, 65h, gdje je T0 temperatura zraka blizu površine tla.
Da ne bi stalno računali gustinu za svaku visinu, ispod je tabela zavisnosti glavnih karakteristika vazduha od visine (do 10 km).
Koji je vazduh najteži
Razmatrajući glavne faktore koji određuju odgovor na pitanje kolika je težina zraka, možete shvatiti koji će zrak biti najteži. Ukratko, hladan vazduh je uvek teži od toplog, jer je gustina potonjeg manja, a suvi vazduh teži od vlažnog vazduha. Poslednju tvrdnju je lako razumeti, pošto je molarna masa vazduha 29 g/mol, a molarna masa molekula vode 18 g/mol, odnosno 1,6 puta manja.
Određivanje težine vazduha pod datim uslovima
Sada riješimo konkretan problem. Hajde da odgovorimo na pitanje koliko je težak vazduh, koji zauzima zapreminu od 150 litara, na temperaturi od 288 K. Uzmite u obzir da je 1 litar hiljaditi deo kubnog metra, odnosno 1 litar=0,001 m3. Što se tiče temperature od 288 K, ona odgovara 15°C, odnosno tipična je za mnoge regije naše planete. Sljedeći korak je određivanje gustine zraka. Postoje dva načina da to uradite:
- Izračunajte koristeći gornju formulu za visinu od 0 metara iznad nivoa mora. U ovom slučaju dobija se vrijednost ρ=1,227 kg/m3
- Pogledajte gornju tabelu, koja se zasniva na T0=288,15 K. Tabela sadrži vrijednost ρ=1,225 kg/m 3.
Tako smo dobili dva broja koja se međusobno dobro slažu. Mala razlika je zbog greške od 0,15 K u određivanju temperature, a takođe i zbog činjenice da vazduh još uvek nije idealan, već pravi gas. Stoga, za dalje proračune uzimamo prosjek dvije dobijene vrijednosti, odnosno ρ=1, 226 kg/m3.
Sada, koristeći formulu za odnos između mase, gustine i zapremine, dobijamo: m=ρV=1,226 kg/m30,150 m3=0,1839 kg ili 183,9 grama.
Možete odgovoriti i koliko litar zraka teži pod datim uslovima: m=1,226 kg/m30,001 m3=0,001226 kg ili približno 1,2 grama.
Zašto ne osjetimo kako nas zrak pritiska
Koliko teži 1 m3 vazduha? Nešto više od 1 kilograma. Cijela atmosferska tablica naše planete vrši pritisak na osobu sa svojom težinom od 200 kg! Ovo je dovoljno velika masa zraka koja bi čovjeku mogla uzrokovati mnogo problema. Zašto to ne osetimo? To je zbog dva razloga: prvo, unutar same osobe postoji i unutrašnji pritisak, koji se suprotstavlja vanjskom atmosferskom pritisku, i drugo, zrak, budući da je plin, vrši pritisak u svim smjerovima podjednako, odnosno pritisci u svim smjerovima uravnotežuju svaki ostalo.
