Что такое воздух физика
Что такое воздух: естествознание для взрослых
Что такое воздух: естествознание для взрослых
Урок 1: что такое воздух
Итак, атмосферный воздух – это смесь газов, о чем уже было сказано выше. Однако это не полное определение, чтобы расширить его, обратимся к истории. В 1754 году шотландский физик и химик Джозеф Блэк в процессе нагревания белой магнезии обнаружил выделение «связанного воздуха», а именно это был столь популярный в нашем блоге 🙂 углекислый газ в воздухе. Получив СО2, мистер Блэк сделал еще одно очень важное открытие – состав воздуха, до этого считавшегося одним веществом, неоднороден.
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.
Джозеф Блэк фактически показал дорогу другим ученым, которые друг за другом стали все больше расшифровывать состав атмосферы, вычислять кислород в воздухе и другие газы. А затем и сформировалось то самое определение, которое сегодня звучит так: воздух – это смесь газов, образующая атмосферу Земли. Основная функция воздуха – делать планету пригодной для дыхания и существования живых организмов. Для него создан федеральный закон Российской Федерации «Об охране атмосферного воздуха», а также атмосфера является источником инертных газов, которые добываются из воздуха путем сжижения. Итак, из каких газов состоит воздух?
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.
| Элемент | % по объему | % по массе |
| Азот | 78,084 | 75,5 |
| Кислород | 20,9476 | 23,15 |
| Аргон | 0, 934 | 1,292 |
| Углекислый газ | 0,0314 | 0,046 |
| Неон | 0,001818 | 0,0014 |
| Метан | 0,0002 | 0,000084 |
| Гелий | 0,000524 | 0,000073 |
| Криптон | 0,000114 | 0,003 |
| Водород | 0,00005 | 0,00008 |
| Ксенон | 0,0000087 | 0,00004 |
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:
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
Углекислый газ составляет атмосферу Венеры и Марса, его процент в земном воздухе куда ниже. При этом огромное количество углекислоты содержится в океане, он регулярно поставляется всеми дышащими организмами, выбрасывается за счет работы промышленности. В жизни человека углекислый газ используется в пожаротушении, пищевой промышленности как газ и как пищевая добавка Е290 – консервант и разрыхлитель. В твердом виде углекислота – один из самых известных хладагентов «сухой лед».
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
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
Последний в составе воздуха, изначально и вовсе считавшийся только примесью к криптону. Его название переводится как «чужой», а процент содержания и на Земле, и за ее пределами минимальный, что обусловило его высокую стоимость. Сейчас без ксенона не обходятся: производство мощных и импульсных источников света, диагностика и наркоз в медицине, двигатели космических аппаратов, ракетное топливо. Кроме того, при вдыхании ксенон значительно понижает голос (обратный эффект гелию), а с недавнего времени вдыхание этого газа причислено к списку допингов.
Физические и химические свойства воздуха
Главная › Свойства воздуха
Воздух – это смесь газов. Окружает планету, образует атмосферу и содержится во всём, что существует. Он есть в воде, земле, растениях, животных, горах, камнях и необходим для жизни живых организмов. Физические, химические и гигиенические свойства формируют климат в регионах частей Земли, влияют на жизнедеятельность растений и животных.
Основные свойства воздуха
Физические свойства
Химический состав воздуха
Воздушная оболочка Земли формируется из смеси газов:
В небольших количествах атмосфера содержит озон, водород, неон, другие газы. По количеству содержания вредных примесей определяют чистоту воздуха. Подробнее – в статье о составе воздуха.
Теплопроводность воздуха
Окружающий воздух практически не проводит тепло. Особенность задерживать тепловой заряд широко используется человеком и животными. Ограничивая подвижность потока, воздушная прослойка задерживает теплообмен организмов, создаёт комфортный микроклимат.
При нагревании с воздухом происходит расширение и он поднимается, становится разреженным. Изменяется его химический состав и влажность. Водяной пар распадается на отдельные газы, становится более летучим.
При охлаждении воздух сжимается и он опускается. Незначительное содержание твёрдых частиц в газах окисляется и насыщается водяными парами. Воздух становится тяжелее и плотнее.
Применение и использование свойств воздуха
Воздушную оболочку планеты активно используют животные и птицы. Способность задерживать тепло помогает животным выживать и регулировать тепловые процессы организма. Шерсть, обитателей северных широт, имеет полую структуру.
Более подробная информация об использовании и значении воздуха живыми организмами здесь.
Сравнение свойств воды и воздуха
Основную роль воздушный океан играет в дыхании всех живых существ Земли. Содержание его в воде используется всеми подводными животными и растениями.
Вода и воздух имеют похожие параметры. Она так же прозрачна и безвкусна, так же реагирует на нагрев и охлаждение. Основным отличием воды является способность растворять вещества и её большая плотность.
Вода имеет большую массу и теплопроводность, проводит заряды электричества.
Способность извлекать необходимые компоненты из воды, без применения специального оборудования, человеку и млекопитающим не под силу.
Свойства воздуха Ссылка на основную публикацию 
Воздух с точки зрения химии, его основные свойства
На страницах блога мы много рассказываем о самых разных химических веществах и смесях, но у нас еще не было рассказа об одном из важнейших сложных веществ — о воздухе. Исправим это и расскажем о воздухе. В первой статье: немного истории изучения воздуха, его химический состав и основные факты о нем.
Немного истории изучения воздуха
В XVII веке было доказано, что воздух — это материальная сущность, вещество, свойства которого, например, плотность и вес, можно измерить.
В XVIII веке ученые проводили в запаянных химических сосудах реакции воздуха с различными веществами. Так было установлено, что поглощается примерно пятая часть объема воздуха, а оставшаяся часть горения и дыхания не поддерживают.
В результате был сделан вывод, что воздух вещество сложное, состоящее из двух составляющих, одна из которых, кислород — поддерживает горение, а вторая — азот, «испорченный воздух», не поддерживает горение и дыхание. Так был открыт кислород. Чуть позднее получен в чистом виде азот.
И только в самом конце XIX века были открыты аргон, гелий, криптон, ксенон, радон и неон, тоже имеющиеся в составе воздуха.
Химический состав
Существует еще такое понятие, как загрязненный воздух, то есть воздух, состав которого отличается от природного атмосферного за счет наличия загрязняющих веществ. Эти вещества бывают:• естественного происхождения (вулканические газы и пыль, морская соль, дымы и газы от природных пожаров, растительная пыльца, пыль от эрозии почв и т.п.).
• антропогенного происхождения — возникшие в результате промышленной и бытовой деятельностью человека (выбросы соединений углерода, серы, азота; угольной и другой пыли от горнодобычи и промышленных предприятий; отходы сельскохозяйственного производства, промышленные и бытовые свалки, аварийные разливы нефти и других опасных для окружающей среды веществ; газовые выхлопы транспортных средств и т.п.).
Физические свойства воздуха
Физическое состояние воздушной среды определяют по следующим показателям: температура, влажность, подвижность, атмосферное давление, освещенность и электрозарядность (ионизация).
Температура. Гигиеническое значение температуры 
окружающей среды состоит в том, что она оказывает огромное влияние на тепловое состояние организма. Постоянство температуры тела у животных достигается за счет усиления или ослабления образования тепла (теплопродукция) или изменением его отдачи (теплоотдача). Способность животных поддерживать температуру тела на постоянном уровне носит название теплорегуляции.
При низких температурах воздуха резко снижается продуктивность животных, так как корма в таких случаях расходуются организмом как биотопливо в целях получения тепловой энергии.
Для предотвращения большой потери тепла при низких температурах животные уменьшают площадь открытой кожи (они горбятся, съеживаются, собаки и кошки свертываются в клубок), дыхание становится более глубоким, пульс замедляется. Особенно чувствительны к низким температурам новорожденные животные.
Нежелательны для животных и высокие температуры. При длительном воздействии высокой температуры может возникнуть перегрев организма, т. е. накапливается излишек тепла. Нередко этому явлению способствуют напряженная работа, быстрое движение, транспортировка животных в закрытых вагонах и трюмах, скученное содержание, а также ожирение животных.
Перегревание животных практически встречается в двух формах: длительное (хронический застой тепла) и острое (тепловой удар).
Предупреждают перегревание животных созданием следующих условий: повышают скорость движения воздуха (вентиляция, открывание дверей и окон), уменьшают высокую влажность, а также избегают скученности, соблюдая при размещении животных зоогигиенические нормы, поят и периодически обливают тело прохладной водой, наконец, уменьшают кормовой рацион.
В целях недопущения низких температур воздуха в зонах нахождения животных широко используют общий обогрев помещения (водяное, паровое, калориферы) и местный (локальный) — это инфракрасные лампы, обогреватели, электрообогреваемые полы и т. д.
Влажность. В помещениях для животных воздух в значительной степени обогащается водяными парами: выдыхаемый воздух, испарения с тела животного, с ограждающих конструкций, поилок, пола и т. д.
Влажный воздух при низких температурах усиливает теплоотдачу. Особенно это опасно для молодых, больных и истощенных животных, так как интенсивная теплопотеря сопровождается простудными заболеваниями, задерживает рост и развитие молодняка.
Влажный воздух является и более благоприятной средой для развития многих микроорганизмов, в том числе возбудителей заразных болезней. Повышенная влажность воздуха при высокой его температуре способствует — возникновению теплового удара.
При содержании в теплых и сырых помещениях у животных уменьшается аппетит, появляется вялость, снижается устойчивость к различным заболеваниям.
Сухой воздух переносится животными легче, чем влажный. Однако чрезмерно сухой воздух летом (относительная влажность ниже 30-40%) вреден, так как он вызывает усиление потоотделения, высыхания кожи и слизистых оболочек верхних дыхательных путей и ротовой полости, резко снижает сопротивляемость организма к инфекциям.
Наиболее благоприятной (оптимальной) влажностью для животных следует считать относительную влажность в пределах 50-70%.
В помещениях для животных при наличии высокой влажности необходимо проводить следующий комплекс мер по ее снижению:
Наибольшей способностью поглощать водяные пары обладает сухой торф, особенно сфагновый. В отдельных случаях используют негашеную известь, посыпая ею проходы, так чтобы животные не могли ее достать. Расход негашеной извести на 1 м2 пола составляет не более 150-200 г через день.
Движение (подвижность) воздуха действует на организм в комплексе с температурой и влажностью. Слабая подвижность воздуха при высокой температуре способствует перегреву животных, а сильная — наоборот, предупреждает перегрев.
При низких температурах высокая скорость движения воздуха (сквозняки) вызывает переохлаждение животных, простудные заболевания.
Чтобы предохранить животных от охлаждения в холодное время года, в помещениях нельзя допускать сильного движения воздуха, нельзя открывать с обеих сторон двери, окна, так как образуются сквозняки.
В летнюю жару для предупреждения перегрева животных следует открывать двери, окна, чтобы за счет движения воздуха обеспечить большую отдачу тепла из организма животных.
Наиболее чувствительны к движению воздуха новорожденные животные. Для них интенсивная подвижность воздуха даже при высокой температуре бывает опасна.
Освещенность. Солнечный свет является важным биологическим фактором в жизни животных.
Под его влиянием улучшается течение обменных реакций в организме, увеличивается потребление кислорода и выделение углекислого газа и водяных паров улучшается работа органов пищеварительной и других систем что благоприятно сказывается на продуктивности и здоровье животных.
Солнечное освещение усиливает бактерицидные свойствами крови, ослабляет и разрушает вредно действующие продукты жизнедеятельности микробов. Под его влиянием многие микроорганизмы погибают в течение нескольких минут, а более стойкие-Я через несколько часов или суток. Солнечный свет — мощный дезинфицирующий фактор.
Недостаток солнечного освещения нужно рассматривать неблагоприятное условие содержания животных, которое приводит к угнетению, вялости, снижению аппетита, малокровию, снижению общей резистентности организма к различным заболеваниям, угнетению половой деятельности. Учитывая это, животным следует размещать в достаточно светлых помещениях. Количеств во окон и их размеры в помещениях для животных определяются световым коэффициентом, под которым понимают отношение площади застекленной части окон к площади пола.
Для откормочных групп животных рекомендуется меньшая освещенность-1:15-1:30, для репродукции при выращивании молодняка требуется большая освещенность- 1 : 10-1 : 15.
Пылевая и бактериальная загрязненность воздуха. Во всех помещениях для животных воздушная пыль состоит из частиц подстилки, кожных чешуек, корма и высыхающего кала животных. Кроме того, в воздухе помещений постоянно находится определенное количество микроорганизмов как на пыли, так и в свободном состоянии.
Воздушная пыль загрязняет шерстный покров и кожу, раздражает конъюнктиву, слизистые оболочки носа и верхних дыхательных путей, способствуя этим внедрению микроорганизмов, в том числе возбудителей инфекционных болезней. Попадая в пищеварительный тракт, пыль вредно действует на слизистую оболочку желудка и кишечника.
Большую запыленность воздуха создает применение в качестве подстилки фрезерного торфа большой степени разложения (молоко в таких случаях сильно загрязняется), поэтому использовать такой торф для подстилки молочным коровам не рекомендуется, а чаще даже запрещается.
Содержание в воздухе микроорганизмов находится в прямой зависимости от содержания в нем пыли и влаги. Воздух закрытых помещений имеет более благоприятные условия для накопления и сохранения микроорганизмов, особенно если не соблюдаются санитарно-гигиенические нормы содержания животных.
В целях предупреждения образования пыли и санации воздуха в помещениях для животных необходимо создавать вокруг ферм защитные зеленые насаждения, укреплять поверхностный слой почвы на территории ферм посевами многолетних трав.
Зеленые деревья выполняют роль санитаров, отфильтровывая, очищая воздух от пылевидных частиц. Специалисты установили, что лучше всего эту функцию выполняют деревья и кустарники с опушенными, вязкими, клейкими, шероховатыми листьями. Вяз, например, задерживает в 6 раз больше пыли, чем тополь. А березовая роща площадью в 1 га за вегетационный период задерживает от 1100 до 2300 кг пыли.
Многие деревья выделяют фитонциды — вещества, которые губительно действуют на некоторые микроорганизмы, а также терпены, которые увеличивают количество легких ионов с отрицательными зарядами. Поэтому в лесах, особенно сосновых и можжевельниковых, воздух практически стерилен. Листья дуба и тополя убивают дизентерийную палочку, сосны — туберкулеза, а кора пихты — возбудителя дифтерии.
Чистку животных (за исключением электромеханической) следует проводить вне помещения. Способствует снижению запыленности помещений правильное использование вентиляции, своевременное проведение уборки. Нельзя перетряхивать корма и подстилку в помещениях.
Необходимы своевременное выявление и изоляция больных инфекционными болезнями животных, бациллоносителей и бацилловыделителей, регулярная очистка и дезинфекция помещений, применение дезбарьеров при входе в помещения для животных, запрещение входа посторонних лиц, облучение воздуха ультрафиолетовыми лучами, правильная и не скученная расстановка животных, содержание в опрятном состоянии обуви и одежды обслуживающего персонала.
В настоящее время нередко на промышленных комплексах, в изоляторах и стационарах поступающий (приточный) воздух пропускается через специальные фильтрующие материалы для снижения пылевой и микробной обсемененности. Для предупреждения загрязнения атмосферного воздуха выбрасываемый из помещения воздух пропускают через различные устройства, способствующие его очистке.
Физические и химические свойства воздуха м
К физическим свойствам воздуха относятся: температура, влажность, подвижность, барометрическое давление, электрическое состояние, интенсивность солнечной радиации, ионизирующая радиоактивность. Каждый из этих факторов имеет самостоятельное значение, однако на организм они оказывают комплексное влияние.
При характеристике гигиенических показателей воздушной среды особое значение придают комплексу физических факторов, определяемых как климат. Они играют решающую роль в регуляции теплообмена человека. К ним относят температуру, относительную влажность и скорость движения воздуха.
При гигиенической оценке воздуха закрытых помещений факторы, характеризующие климат, объединяют понятием микроклимат помещений.
Теплообмен человека состоит из двух процессов: теплопродукции и теплоотдачи. Теплопродукция происходит за счет окисления пищевых веществ и освобождения тепла при мышечных сокращениях. Некоторая часть тепла поступает в организм извне за счет солнечной энергии, нагретых предметов и горячей пищи.
Теплоотдача осуществляется проведением, или конвекцией (за счет разницы температур тела и воздуха), излучением, или радиацией (за счет разницы температур тела и предметов), и испарением (с поверхности кожи, через легкие и дыхательные пути).
В состоянии покоя и комфорта теплопотери человека составляют: конвекцией — около 30%, излучением — 45, испарением — 25%.
Человек обладает способностью регулировать интенсивность теплопродукции и теплоотдачи, благодаря чему температура его тела остается, как правило, постоянной. Однако при значительных изменениях метеорологических факторов среды состояние теплового равновесия может нарушаться и вызвать в организме патологические сдвиги — перегрев или переохлаждение.
Оптимальные для человека значения метеорологических условий в производственных условиях различаются в зависимости от категории работ по степени тяжести, т. е. в зависимости от общих энергозатрат организма (в ккал/ч) ипериода года.
Например, при физических работах средней тяжести (категория II) с расходом энергии в пределах 151-250 ккал/ч (175-290 Вт) оптимальные значения микроклимата в холодный период года (среднесуточная температура наружного воздуха равна или ниже 10°С) характеризуются следующими показателями: температура 17-20″С, относительная влажность 40-60%, скорость движения воздуха 0,2 м/с.
Благодаря механизмам терморегуляции человек относительно легко переносит значительные отклонения температуры воздуха от комфортной и даже способен перенести кратковременное воздействие воздуха температурой 100Си выше.
При повышении температуры воздуха компенсаторные реакции организма приводят к некоторому снижению теплопродукции и усилению отдачи тепла с поверхности кожи.
Если повышение температуры воздуха сопровождается отклонением от нормы и других метеорологических факторов (влажность, движение воздуха, интенсивность теплового излучения), то нарушение терморегуляции наступает значительно быстрей.
Так, при нормальной относительной влажности воздуха (40%) нарушение терморегуляции организма наступает при температуре воздуха свыше 40 «С, а при относительной влажности 80-90 % — уже при 31-32 «С.
В условиях высоких температур и высокой влажности воздуха человек освобождается от избытка тепла преимущественно за счет испарения влаги с поверхности кожи. Напри мер, потеря влаги в условиях горячего цеха может достигать у работника примерно 10 л в сутки. Вместе с потом из организма удаляются соли, водорастворимые витамины В и С.
Потеря хлоридов и воды при обильном потоотделении ведет к обезвоживанию тканей, угнетению желудочной секреции. Кроме того, усиливаются процессы торможения в центральной нервной системе, отмечается ослабление внимания, нарушение координации движений, что увеличивает производственный травматизм. Особенно тяжело человек переносит повышенные температуры и влажность неподвижного воздуха. В этих условиях подавляются в организме все механизмы теплоотдачи.
Резкое перегревание организма может привести к развитию теплового удара, проявляющегося в виде слабости, головокружения, шума в ушах, сердцебиения, а в тяжелых случаях — повышения температуры, нервно-психического возбуждения или потери сознания.
Следует отметить, что присутствие нагретых поверхностей усиливает состояние перегрева организма за счет особенностей биологического действия радиационного тепла.
В соответствии с законами теплоизлучения (Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина) тепловое излучение нагретого предмета происходит более интенсивно, чем повышение его температуры, а спектральный состав излучения по мере нагревания предмета сдвигается в сторону более коротких волн и, следовательно, обусловливает более глубокое проникающее действие тепла на организм.
В производственных цехах предприятий общественного питания важнейшей гигиенической задачей является профилактика перегрева организма. С этой целью предусматриваются удаление избыточного тепла с помощью общей и местной вентиляции, применение совершенных конструкций тепловых аппаратов, использование рациональной спецодежды.
Низкие температуры воздуха (особенно в сочетании с высокой влажностью и подвижностью) могут привести к заболеваниям, связанным с переохлаждением организма. В этих условиях понижается температура кожи, снижается сократительная способность мышц, особенно рук, что сказывается на работоспособности человека.
При глубоком охлаждении ослабляются реакции на болевые раздражители в результате наркотического действия холода, понижается сопротивляемость организма к инфекционным заболеваниям.
Например, местное охлаждение рук при длительной разгрузке мороженого мяса, рыбы, мытье овощей холодной водой приводит к нарушению кровообращения, что является простудным фактором.
В связи с этим на предприятиях очень важно соблюдать гигиенические мероприятия, предупреждающие переохлаждение организма: устройство местной вентиляции, исключающее холодные потоки воздуха (сквозняки) в рабочей зоне, организацию отогрева рук при длительной работе с холодными предметами, проектирование утепленных тамбуров и т. д.
Под ионизацией воздуха понимают превращение нейтральных газов молекул и атомов в ионы, несущие положительный и отрицательный заряды. Ионизация происходит путем перераспределения электронов между атомами и молекулами газов под влиянием радиоактивного излучения земли и космического излучения.
Ионизация оказывает многостороннее действие на организм человека. Так, содержащиеся в воздухе отрицательные ионы обладают тонизирующим свойством, улучшают обмен веществ; положительные ионы вызывают депрессию, сонливость, снижение трудоспособности.
При оценке санитарного состояния воздуха учитывается также соотношение так называемых тяжелых и легких ионов. Первичные ионы, образовавшиеся при ионизации, носят название легких ионов; ионы, присоединившиеся к частицам пыли, называются тяжелыми.
Преобладание тяжелых ионов над легкими служит показателем загрязнения воздушной среды.
Химический состав воздуха и его санитарное значение.
Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов. В его составе имеются постоянные компоненты атмосферы — кислород, азот, углекислота, инертные газы, а также в переменных количествах различные примеси природного происхождения и загрязнения, возникающие в результате хозяйственно-производственной деятельности человека.
Из постоянных составных частей воздуха основное значение имеет кислород (О2 ), который необходим для осуществления окислительных процессов в организме. В атмосферном воздухе содержание кислорода равно 20,95%, в выдыхаемом человеком — 15,4—16%. Снижение его содержания до 13-15% может привести к нарушению физиологических функций организма, до 7-8% — к смертельному исходу.
Содержание углекислоты (СО2 ) в чистом воздухе составляет 0,03%, в выдыхаемом человеком — 3 %.Относительное постоянство содержания углекислоты в атмосферном воздухе поддерживается ее естественным круговоротом в природе.
Однако в современных условиях интенсивного развития промышленности транспорта наблюдается перенасыщение атмосферного воздуха углекислотой.
В результате в воздухе крупных индустриальных центров и в атмосфере в целом процентное содержание СО2 повышается, что приводит к появлению токсических туманов в городах, неблагоприятным климатическим сдвигам на планете («парниковый эффект», связанный с задержкой углекислотой теплового излучения земли).
Углекислота играет важную роль в жизнедеятельности человека, так как является физиологическим регулятором дыхания. Снижение концентрации СО2 во вдыхаемом воздухе не представляет опасности, так как в организме она выделяется при обменных процессах и необходимый уровень ее в крови поддерживается регуляторными механизмами.
Степень концентрации углекислоты в воздухе служит важным гигиеническим показателем, по которому судят о чистоте воздуха в жилых и общественных зданиях. Предельно допустимой концентрацией углекислоты в помещениях принято считать 0,1 %. Эта величина принимается в качестве расчетной при определении эффективности вентиляции.
Одновременно с углекислотой в воздухе закрытых помещений накапливаются летучие дурнопахнущие продукты жизнедеятельности человека. Кроме того, в нем ухудшается ионизационный режим, увеличивается запыленность, бактериальная загрязненность.
Следовательно, повышение содержания СО2 сверх установленных норм свидетельствует об общем ухудшении санитарного состояния воздуха.
Азот (N2 ) по количественному содержанию является основной составной частью атмосферного воздуха. Вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух содержит примерно одно и то же количество азота — 78,97- 79,2 %.Биологическая роль азота заключается главный образом в том, что он является разбавителем кислорода, поскольку в чистом кислороде жизнь невозможна.
Инертные газы — аргон, неон, гелий, криптон и другие — не имеют физиологического значения.
Озон (О3 ) также является составной частью атмосферы. Основное его количество сосредоточено в высоких (20-30 км над уровнем моря) слоях атмосферы.
Озоносфера защищает живые организмы земли от радиационного действия коротких ультрафиолетовых лучей, обладает бактерицидными свойствами, обезвреживает ядовитые газообразные примеси, в частности, угарный газ (СО), превращая его е углекислоту. В приземных слоях атмосферы содержится ничтожно малое количество озона — не более стотысячной доли мг/л.
Он образуется главным образом при электрических разрядах, легко вступает в реакцию с малейшими примесями воздуха и исчезает, поэтому присутствие его можно рассматривать как показатель чистоты воздуха.
Урок №22. Воздух и его состав. Защита атмосферного воздуха от загрязнения. — ХиМуЛя.com
Воздух – природная
смесь газов
При слове «воздух» большинству из нас невольно приходит на
ум, быть может, несколько наивное сопоставление: воздух – это то, чем дышат.
Действительно, в этимологическом словаре русского языка указывается, что слово
«воздух» заимствовано из церковно-славянского языка: «воздыхать».
С точки
зрения биологической, воздух, следовательно, является средой для поддержания
жизни за счет кислорода. В составе воздуха могло бы и не быть кислорода – жизнь
все равно развивалась бы в анаэробных формах.
Но полное отсутствие воздуха,
по-видимому, исключает, возможность существования каких бы то ни было
организмов.
Для физиков воздух – прежде всего земная атмосфера и газовая
оболочка, окружающая землю.
А что же представляет сам воздух с точки зрения химии?
Много сил, труда и терпения потребовалось ученым,
чтобы раскрыть эту загадку природы, что воздух – не самостоятельное вещество,
как считалось еще более 200 лет тому назад, а представляет сложную смесь газов.
Впервые высказался о сложном составе воздуха ученый – художник Леонардо да
Винчи (XV век).
Около 4 миллиардов лет назад атмосфера Земли состояла в
основном из углекислого газа. Постепенно он растворялся в воде, реагировал с
горными породами, образуя карбонаты и гидрокарбонаты кальция и магния.
С
появлением зеленых растений этот процесс стал протекать гораздо быстрее. К
моменту появления человека углекислый газ, так необходимый растениям уже стал
дефицитом. Его концентрация в воздухе до начала промышленной революции
составляла всего 0,029%.
В течение 1,5 млд лет содержание кислорода постепенно
увеличивалось.
Химический
состав воздуха
| Составные части | Содержание газов (в %) | |
| По объёму | По массе | |
| Азот (N2) | 78,09 | 75,50 |
| Кислород (О2) | 20,95 | 23,10 |
| Благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, в основном аргон) | 0,94 | 1,3 |
| Оксид углерода (IV) – углекислый газ | 0,03 | 0,046 |
Впервые установил количественный состав воздуха французский ученый Антуан Лоран Лавуазье.
По
результатам своего известного 12-дневного опыта он сделал вывод, что весь
воздух в целом состоит из кислорода, пригодного для дыхания и горения, и азота,
неживого газа, в пропорциях 1/5 и 4/5 объема соответственно. Он нагревал
металлическую ртуть в реторте на жаровне в течение 12 суток.
Конец реторты был
подведён под колокол, поставленный в сосуд с ртутью. В результате уровень ртути
в колоколе поднялся примерно на 1/5. На поверхности ртути в реторте
образовалось вещество оранжевого цвета – оксид ртути. Оставшийся под колоколом
газ был непригоден для дыхания.
Ученый предложил «жизненный воздух»
переименовать в «кислород», поскольку при сгорании в кислороде большинство
веществ превращается в кислоты, а «удушливый воздух» – в «азот», т.к. он не
поддерживает жизнь, вредит жизни.
Физические свойства воздуха: плотность, вязкость, удельная теплоемкость
Плотность воздуха в зависимости от температуры
Представлена подробная таблица значений плотности воздуха в сухом состоянии при различных температурах и нормальном атмосферном давлении.
Чему равна плотность воздуха? Аналитически определить плотность воздуха можно, если разделить его массу на объем, который он занимает при заданных условиях (давление, температура и влажность). Также можно вычислить его плотность по формуле уравнения состояния идеального газа.
Для этого необходимо знать абсолютное давление и температуру воздуха, а также его газовую постоянную и молярный объем. Это уравнение позволяет вычислить плотность воздуха в сухом состоянии.
На практике, чтобы узнать какова плотность воздуха при различных температурах, удобно воспользоваться готовыми таблицами.
Например, приведенной таблицей значений плотности атмосферного воздуха в зависимости от его температуры.
Плотность воздуха в таблице выражена в килограммах на кубический метр и дана в интервале температуры от минус 50 до 1200 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении (101325 Па).
| -50 | 1,584 | 20 | 1,205 | 150 | 0,835 | 600 | 0,404 |
| -45 | 1,549 | 30 | 1,165 | 160 | 0,815 | 650 | 0,383 |
| -40 | 1,515 | 40 | 1,128 | 170 | 0,797 | 700 | 0,362 |
| -35 | 1,484 | 50 | 1,093 | 180 | 0,779 | 750 | 0,346 |
| -30 | 1,453 | 60 | 1,06 | 190 | 0,763 | 800 | 0,329 |
| -25 | 1,424 | 70 | 1,029 | 200 | 0,746 | 850 | 0,315 |
| -20 | 1,395 | 80 | 1 | 250 | 0,674 | 900 | 0,301 |
| -15 | 1,369 | 90 | 0,972 | 300 | 0,615 | 950 | 0,289 |
| -10 | 1,342 | 100 | 0,946 | 350 | 0,566 | 1000 | 0,277 |
| -5 | 1,318 | 110 | 0,922 | 400 | 0,524 | 1050 | 0,267 |
| 1,293 | 120 | 0,898 | 450 | 0,49 | 1100 | 0,257 | |
| 10 | 1,247 | 130 | 0,876 | 500 | 0,456 | 1150 | 0,248 |
| 15 | 1,226 | 140 | 0,854 | 550 | 0,43 | 1200 | 0,239 |
При 25°С воздух имеет плотность 1,185 кг/м3. При нагревании плотность воздуха снижается — воздух расширяется (его удельный объем увеличивается).
С ростом температуры, например до 1200°С, достигается очень низкая плотность воздуха, равная 0,239 кг/м3, что в 5 раз меньше ее значения при комнатной температуре.
В общем случае, снижение плотности газов при нагреве позволяет проходить такому процессу, как естественная конвекция и применяется, например, в воздухоплавании.
Если сравнить плотность воздуха относительно плотности воды, то воздух легче на три порядка — при температуре 4°С плотность воды равна 1000 кг/м3, а плотность воздуха составляет 1,27 кг/м3.
Необходимо также отметить значение плотности воздуха при нормальных условиях. Нормальными условиями для газов являются такие, при которых их температура равна 0°С, а давление равно нормальному атмосферному.
Таким образом, согласно таблице, плотность воздуха при нормальных условиях (при НУ) равна 1,293 кг/м3.
Динамическая и кинематическая вязкость воздуха при различных температурах
При выполнении тепловых расчетов необходимо знать значение вязкости воздуха (коэффициента вязкости) при различной температуре.
Эта величина требуется для вычисления числа Рейнольдса, Грасгофа, Релея, значения которых определяют режим течения этого газа.
Коэффициент вязкости воздуха с ростом его температуры значительно увеличивается. Например, кинематическая вязкость воздуха равна 15,06·10-6 м2/с при температуре 20°С, а с ростом температуры до 1200°С вязкость воздуха становиться равной 233,7·10-6 м2/с, то есть увеличивается в 15,5 раз! Динамическая вязкость воздуха при температуре 20°С равна 18,1·10-6 Па·с.
При нагревании воздуха увеличиваются значения как кинематической, так и динамической вязкости.
Эти две величины связаны между собой через величину плотности воздуха, значение которой уменьшается при нагревании этого газа.
Увеличение кинематической и динамической вязкости воздуха (как и других газов) при нагреве связано с более интенсивным колебанием молекул воздуха вокруг их равновесного состояния (согласно МКТ).
| -50 | 14,6 | 9,23 | 70 | 20,6 | 20,02 | 350 | 31,4 | 55,46 |
| -45 | 14,9 | 9,64 | 80 | 21,1 | 21,09 | 400 | 33 | 63,09 |
| -40 | 15,2 | 10,04 | 90 | 21,5 | 22,1 | 450 | 34,6 | 69,28 |
| -35 | 15,5 | 10,42 | 100 | 21,9 | 23,13 | 500 | 36,2 | 79,38 |
| -30 | 15,7 | 10,8 | 110 | 22,4 | 24,3 | 550 | 37,7 | 88,14 |
| -25 | 16 | 11,21 | 120 | 22,8 | 25,45 | 600 | 39,1 | 96,89 |
| -20 | 16,2 | 11,61 | 130 | 23,3 | 26,63 | 650 | 40,5 | 106,15 |
| -15 | 16,5 | 12,02 | 140 | 23,7 | 27,8 | 700 | 41,8 | 115,4 |
| -10 | 16,7 | 12,43 | 150 | 24,1 | 28,95 | 750 | 43,1 | 125,1 |
| -5 | 17 | 12,86 | 160 | 24,5 | 30,09 | 800 | 44,3 | 134,8 |
| 17,2 | 13,28 | 170 | 24,9 | 31,29 | 850 | 45,5 | 145 | |
| 10 | 17,6 | 14,16 | 180 | 25,3 | 32,49 | 900 | 46,7 | 155,1 |
| 15 | 17,9 | 14,61 | 190 | 25,7 | 33,67 | 950 | 47,9 | 166,1 |
| 20 | 18,1 | 15,06 | 200 | 26 | 34,85 | 1000 | 49 | 177,1 |
| 30 | 18,6 | 16 | 225 | 26,7 | 37,73 | 1050 | 50,1 | 188,2 |
| 40 | 19,1 | 16,96 | 250 | 27,4 | 40,61 | 1100 | 51,2 | 199,3 |
| 50 | 19,6 | 17,95 | 300 | 29,7 | 48,33 | 1150 | 52,4 | 216,5 |
| 60 | 20,1 | 18,97 | 325 | 30,6 | 51,9 | 1200 | 53,5 | 233,7 |
Примечание: Будьте внимательны! Вязкость воздуха дана в степени 106.
Представлена таблица удельной теплоемкости воздуха при различных температурах. Теплоемкость в таблице дана при постоянном давлении (изобарная теплоемкость воздуха) в интервале температуры от минус 50 до 1200°С для воздуха в сухом состоянии.
Чему равна удельная теплоемкость воздуха? Величина удельной теплоемкости определяет количество тепла, которое необходимо подвести к одному килограмму воздуха при постоянном давлении для увеличения его температуры на 1 градус.
Например, при 20°С для нагревания 1 кг этого газа на 1°С в изобарном процессе, требуется подвести 1005 Дж тепла.
По данным таблицы видно, что значительное влияние температура начинает оказывать со значения 130°С. Однако, температура воздуха влияет на его удельную теплоемкость намного слабее, чем на вязкость.
Так, при нагреве с 0 до 1200°С теплоемкость воздуха увеличивается лишь в 1,2 раза – с 1005 до 1210 Дж/(кг·град).
Следует отметить, что теплоемкость влажного воздуха выше, чем сухого. Если сравнить теплоемкость воды и воздуха, то очевидно, что вода обладает более высоким ее значением и содержание воды в воздухе приводит к увеличению удельной теплоемкости.
| -50 | 1013 | 20 | 1005 | 150 | 1015 | 600 | 1114 |
| -45 | 1013 | 30 | 1005 | 160 | 1017 | 650 | 1125 |
| -40 | 1013 | 40 | 1005 | 170 | 1020 | 700 | 1135 |
| -35 | 1013 | 50 | 1005 | 180 | 1022 | 750 | 1146 |
| -30 | 1013 | 60 | 1005 | 190 | 1024 | 800 | 1156 |
| -25 | 1011 | 70 | 1009 | 200 | 1026 | 850 | 1164 |
| -20 | 1009 | 80 | 1009 | 250 | 1037 | 900 | 1172 |
| -15 | 1009 | 90 | 1009 | 300 | 1047 | 950 | 1179 |
| -10 | 1009 | 100 | 1009 | 350 | 1058 | 1000 | 1185 |
| -5 | 1007 | 110 | 1009 | 400 | 1068 | 1050 | 1191 |
| 1005 | 120 | 1009 | 450 | 1081 | 1100 | 1197 | |
| 10 | 1005 | 130 | 1011 | 500 | 1093 | 1150 | 1204 |
| 15 | 1005 | 140 | 1013 | 550 | 1104 | 1200 | 1210 |
Теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля воздуха
В таблице представлены такие физические свойства атмосферного воздуха, как теплопроводность, температуропроводность и его число Прандтля в зависимости от температуры.
По данным таблицы видно, что указанные свойства воздуха существенно зависят от температуры и температурная зависимость рассмотренных свойств этого газа различна.
Теплопроводность воздуха λ при повышении температуры увеличивается во всем диапазоне, достигая при 1200°С величины 0,0915 Вт/(м·град).
Другие теплофизические свойства воздуха такие, как его температуропроводность a и число Прандтля Pr, по-разному реагируют на изменение температуры.
Температуропроводность, как и вязкость воздуха сильно зависит от температуры и при нагревании, например с 0 до 1200°С, ее значение увеличивается почти в 17 раз.
Число Прандтля воздуха слабо зависит от температуры и при нагревании этого газа его величина сначала снижается до величины 0,674, а затем начинает расти, и при температуре 1200°С достигает значения 0,724.
| -50 | 2,04 | 12,7 | 0,728 | 170 | 3,71 | 45,7 | 0,682 |
| -40 | 2,12 | 13,8 | 0,728 | 180 | 3,78 | 47,5 | 0,681 |
| -30 | 2,2 | 14,9 | 0,723 | 190 | 3,86 | 49,5 | 0,681 |
| -20 | 2,28 | 16,2 | 0,716 | 200 | 3,93 | 51,4 | 0,68 |
| -10 | 2,36 | 17,4 | 0,712 | 250 | 4,27 | 61 | 0,677 |
| 2,44 | 18,8 | 0,707 | 300 | 4,6 | 71,6 | 0,674 | |
| 10 | 2,51 | 20 | 0,705 | 350 | 4,91 | 81,9 | 0,676 |
| 20 | 2,59 | 21,4 | 0,703 | 400 | 5,21 | 93,1 | 0,678 |
| 30 | 2,67 | 22,9 | 0,701 | 450 | 5,48 | 104,2 | 0,683 |
| 40 | 2,76 | 24,3 | 0,699 | 500 | 5,74 | 115,3 | 0,687 |
| 50 | 2,83 | 25,7 | 0,698 | 550 | 5,98 | 126,8 | 0,693 |
| 60 | 2,9 | 27,2 | 0,696 | 600 | 6,22 | 138,3 | 0,699 |
| 70 | 2,96 | 28,6 | 0,694 | 650 | 6,47 | 150,9 | 0,703 |
| 80 | 3,05 | 30,2 | 0,692 | 700 | 6,71 | 163,4 | 0,706 |
| 90 | 3,13 | 31,9 | 0,69 | 750 | 6,95 | 176,1 | 0,71 |
| 100 | 3,21 | 33,6 | 0,688 | 800 | 7,18 | 188,8 | 0,713 |
| 110 | 3,28 | 35,2 | 0,687 | 850 | 7,41 | 202,5 | 0,715 |
| 120 | 3,34 | 36,8 | 0,686 | 900 | 7,63 | 216,2 | 0,717 |
| 130 | 3,42 | 38,6 | 0,685 | 950 | 7,85 | 231,1 | 0,718 |
| 140 | 3,49 | 40,3 | 0,684 | 1000 | 8,07 | 245,9 | 0,719 |
| 150 | 3,57 | 42,1 | 0,683 | 1100 | 8,5 | 276,2 | 0,722 |
| 160 | 3,64 | 43,9 | 0,682 | 1200 | 9,15 | 316,5 | 0,724 |
Будьте внимательны! Теплопроводность воздуха в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100! Температуропроводность воздуха указана в степени 106. Допускается интерполяция значений физических свойств воздуха в приведенных таблицах.
Энтропия сухого воздуха
В таблице представлены значения такого теплофизического свойства воздуха, как удельная энтропия. Значения энтропии даны для сухого воздуха в размерности кДж/(кг·град) в зависимости от температуры и давления.
Следует отметить, что при нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа) и температуре, например 30°С, удельная энтропия воздуха равна 0,1044 кДж/(кг·град).
19. Экологическое значение физических и химических свойств атмосферы
Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, растворенных друг в друге. В состав воздуха входят азот (78% по объему), кислород (21% по объему), благородные (инертные) газы (около 1% по объему), оксид углерода (IV), пары воды и различные примеси.
Диоксид углерода образуется в природе в результате процессов горения растительных материалов, при дыхании живых организмов и гниении. Большое количество CO2 поступает в атмосферу в результате деятельности человека. Несмотря на постоянное поступление CO2 в атмосферу среднее его содержание в воздухе практически всегда находится на уровне 0,03% по объему.
Содержание водных паров в воздухе колеблется от нескольких долей процента до нескольких процентов и определяется местными условиями и температурой.
За счет наличия в составе воздуха кислорода (21% по объему), проявляющего окислительные свойства, в воздухе способны сгорать многие вещества, причем уравнения химических реакций сгорания (окисления) веществ в воздухе записывают, как уравнения сгорания этих веществ в кислороде, поскольку на бумаге невозможно отобразить химический состав воздуха. Кислород самый распространенный на Земле элемент (49 % массы всех элементов в природе), который в виде соединений входит в массу земной коры, состав воды (88,81 % по массе) и многих тканей живых организмов (около 70 % по массе). В свободном виде встречается в двух модификациях:
Химически самый активный (после фтора) неметалл. В условиях обычной или высокой температуры кислород поддерживает горение горючих веществ, непосредственно взаимодействует при окислении, горении, тлении и т.д. с большинством элементов с выделением энергии.
При повышении температуры скорость окисления возрастает и может начаться горение. Животные и растения получают необходимую для жизни энергию за счет биологического окисления различных веществ кислородом, поступающим в организм при дыхании.
Свободный кислород атмосферы сохраняется благодаря фотосинтезу растений.
К основным физическим свойствам воздуха относят:
Основными газами атмосферы являются азот (78,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%) и ряд инертных газов, на долю которых приходится не более тысячной доли процента.
Значение воздушной среды для человека.
Резкие изменения физических и химических свойств воздушной среды, загрязнение токсичными веществами и патогенными микроорганизмами могут способствовать развитию в организме человека изменений, приводящих к нарушению здоровья и снижению работоспособности.
Постоянство атмосферного воздуха поддерживается многими физическими и химическими процессами, которые уносят загрязненный воздух:
Однако возможности самоочищения не безграничны, поэтому большую значимость приобретает санитарная охрана атмосферного воздуха от загрязнения.
Все большее значение в последнее время придается загрязнениям атмосферного воздуха, которые бывают двух видов: естественные космические (из космоса и при извержениях вулканов) и антропогенные. Загрязнения подразделяются на пылевое, газовое, химическое, ароматическое и тепловое.
В городах 70-80 % загрязнений приходится на транспорт. Из загрязнений от промышленных предприятий 34 % падает на металлургическую промышленность, 27 % — на ТЭЦ, 12 % — на нефтяную промышленность, 9 % — на химическую и 7 % — на газовую.
В последние годы на первое место по загрязнениям выдвигается сельское хозяйство.
В воздухе жилой среды обнаруживается около 100 веществ, относящихся к разным классам химических соединений: предельные, непредельные и ароматические углеводороды, спирты, фенолы, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны, гетероциклические соединения, аминосоединения и др.