Gęstość powietrza

gęstość powietrza a temperatura, ciśnienie, wilgotność

Mówiąc prostym językiem, gęstość to masa ciała podzielona przez objętość jaką to ciało zajmuje. Zazwyczaj mierzy się ją w kg na metr sześcienny. Na poziomie morza, przy temperaturze 0 st. C w 1 m3 mieści się 1,275 kg suchego powietrza, tzn. że gęstość powietrza w tych warunkach wynosi 1,275 kg/m3.

Gęstość powietrza zależy od jego temperatury, ciśnienia i od ilości pary wodnej w nim zawartej.

Gęstość powietrza a temperatura

Cząsteczki azotu, tlenu i innych gazów (składniki powietrza) poruszając się z niesamowitą prędkością, zderzają się ze sobą i z otoczeniem. Im wyższa jest temperatura, tym szybciej poruszają się cząsteczki. Zatem kiedy powietrze jest podgrzewane, molekuły przyspieszają, a to oznacza że ich zderzenia są coraz silniejsze. Ogrzewając powietrze w balonie spowoduje jego powiększenie; jeśli ochłodzimy powietrze balon zmniejszy się jako że cząsteczki zwalniają. Jeśli ogrzane powietrze jest otoczone tylko powietrzem (o innej temperaturze) będzie ono odpychało powietrze otaczające je. Podsumowując, ilość powietrza w np. metalowej puszce zmniejsza się jeśli będziemy ją podgrzewali (zakładając, że powietrze to ma możliwość wydostania się na zewnątrz). Podobny proces zachodzi w atmosferze - gęstość powietrza zmniejsza się kiedy jest ono ogrzewane.

Gęstość powietrza a ciśnienie

Ciśnienie ma odwrotny wpływ na gęstość powietrza. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta gęstość.

Wysokość i układy pogodowe mają istotny wpływ na ciśnienie powietrza. Z wysokością ciśnienie zmniejsza się od ok. 1000 milibarów na poziomie morza do ok. 500 milibarów przy wysokości 5486 m. Na wysokości 30480 m n.p.m. ciśnienie wynosi zaledwie 10 milibarów. Układy ciśnienia mają także wpływ na gęstość powietrza, ale nie tak znaczący jak wysokość.

Można zauważyć, że gęstość powietrza jest najniższa na dużej wysokości w upalny dzień, kiedy ciśnienie atmosferyczne jest niskie, zaś najwyższa na małej wysokości, przy wysokim ciśnieniu i niskiej temperaturze (słoneczny, ale mroźny dzień).

Gęstość powietrza a wilgotność

Wielu osobom, które nie miały dużego związku z fizyką lub chemią, trudno jest uwierzyć w to, że wilgotne powietrze jest bardziej lekkie (mniej gęste) od powietrza suchego. "Jak to możliwe, że powietrze stanie się lżejsze jeśli dodamy do niego pary wodnej ?" - pytają.

Naukowcy znają odpowiedź na to pytanie od dawna. Pierwszym był Isaac Newton, który ogłosił, że wilgotne powietrze jest mniej gęste od powietrza suchego już w 1717 roku.

Żeby zrozumieć dlaczego tak się dzieje musimy sięgnąć do jednego z praw fizyki odkrytego przez włoskiego fizyka Amadeo Avogadro. Odkrył on, że stała "porcja" gazu (np. 1 m3), przy danej temperaturze i ciśnieniu, będzie miała tyle samo cząsteczek bez względu na rodzaj gazu.

Wyobraźmy sobie puszkę z gazem, załóżmy że dodajemy do niej cząsteczki innego gazu, które są lżejsze od tych w puszce (temperatura i ciśnienie nie zmieniają się) spowoduje to, że część cięższych cząsteczek "opuści" puszkę ustępując miejsca tym lżejszym. Jeśli puszka byłaby szczelnie zamknięta, a my dodawalibyśmy stale nowe cząsteczki wzrosłoby ciśnienie.

Avogadro i wielu innych naukowców po nim udowodnili, że liczba cząsteczek w puszce pozostanie stała. Dodają bardziej lekkie molekuły zmniejszamy gęstość gazu w pudełku, ponieważ zastępują one cząsteczki cięższe.

Tak dzieje się kiedy woda odparowuje do suchego powietrza. Zróbmy mały rachunek. Powietrze składa się z cząsteczek azotu (masa atomowa 28) i cząsteczek telenu (m.a. 32, bo 2 atomy z m.a. 16). Cząsteczka wody, która składa się z atomu tlenu (m.a. 16) i 2 atomów wodoru (m.a. 1), ma masę atomową równą 18. Zatem, dodanie pary wodnej do powietrza powoduje zastąpienie cięższych molekuł azotu lub tlenu lżejszymi wody. Ale zaraz, można by rzec że przecież woda jest cięższa od powietrza. Zgadza się jeśli chodzi o wodę w postaci cieczy; natomiast woda, która zwiększa wilgotność powietrza jest w postaci gazu (para wodna) jest lżejsza.

W porównaniu do temperatury i ciśnienia wilgotność powietrza ma mały wpływ na jego gęstość. Ale wilgotne powietrze jest zawsze lżejsze od suchego przy tej samej temperaturze i ciśnieniu.