Щільність повітря
У повсякденному житті мало хто замислюється над тим, що таке щільність повітря і яке значення цей показник має взагалі в існуванні всього сущого на планеті. А між тим, ми щодня бачимо летять літаки, ширяють птахів, що злітають вгору і падаючі вниз предмети і зовсім не замислюємося над тим, що саме параметр щільності повітря визначає наявність цих явищ.
Часто, проводячи відпочинок в різних місцях, ми говоримо, що в одному місці був вологе повітря, а в іншому - сухою. При цьому додаємо, що в першому випадку вам було легко пересуватися, дихати, а в другому ви відчували тяжкість при русі, дискомфорт, який не відчували при перебуванні в звичайній для вас кліматичної середовищі. У цей час, ми забуваємо те, що нам говорили вчителі ще під час навчання в школі на уроках фізики - вологе повітря має щільність меншу, ніж повітря сухий, а, отже, і маса його менше, ніж у сухого.
На перший погляд, це здається парадоксальним, якщо брати до уваги наші чуттєві відчуття, про які йшлося вище. Адже дійсно, як повітря, до якого ще додається вода у вигляді пари, може бути легше того, який води не містить?
Але це дійсно так, і відповідь на це, парадоксальний, на перший погляд, питання, вчені знали досить давно.
Вперше гіпотезу про те, що щільність вологого повітря нижче, ніж у повітря сухого, висловив великий Ісаак Ньютон у своїй знаменитій книзі «Оптика», яка була видана в Лондоні ще в 1717 році. Тим не менш, гіпотеза великого англійця не вміла успіху - до самого вісімнадцятого століття вчені не просто не приймали її, а й взагалі не відчували особливого інтересу до даної проблеми.
Щоб хоч якось наблизитися до розуміння проблеми - чому щільність повітря залежить від його вологості - слід згадати кілька відомих природних законів.
Наприклад, на самому початку минулого століття Амадео Авогадро, знаменитий італійський фізик, встановив, що незалежно від виду газу, якщо взяти його фіксований обсяг, то при однаковій температурі і однаковому тиску, кількість молекул в цьому газі буде величиною постійною. Ця величина і отримала пізніше назви константи Авогадро, так само став називатися і відкритий ним закон для газів.
Як проявляє себе цей закон, як залежить щільність повітря від температури, тиску і вологості можна переконатися на досить простому прикладі.
Як правило, сухий чистий (в хімічному сенсі) повітря, містить у своєму складі приблизно 78% молекул азоту, при цьому атомна вага кожної з цих молекул дорівнює 28. В складі повітря ще 21% належить молекулам кисню, атомна вага молекул якого, дорівнює 32. Один відсоток у складі повітря припадає на деякі інші гази, які присутні в ньому, але для нашого розрахунку цей показник будемо вважати несуттєвим.
Молекули газу, як відомо, мають властивість вільного виходу за межі резервуара, в якому знаходиться газ. Так от, Авогадро встановив таку закономірність: якщо в наш обсяг сухого газу, що містить, як ми домовилися, молекули азоту і кисню, додати молекули води, то вони і зроблять наше повітря менш щільним. Пояснюється це дуже просто - молекули води мають атомну вагу менше, ніж у молекул азоту і водню, він дорівнює 18. А так як кількість молекул в заданому обсязі газу має бути постійним, то молекули води просто витіснили молекули азоту і кисню в складі повітря, замінивши їх собою. Таким ось способом і стає щільність повітря вологого меншою, ніж у сухого.
У цьому прикладі, правда, є одне протиріччя. Воно полягає в тому, що будь-який обиватель може вигукнути, як же таке може бути, якщо щільність води вище щільності повітря. Відповідь тут теж простий: вода присутня в повітрі у формі пари, яка легше і азоту і кисню, а тому на таку «воду» поширюються всі закономірності, виведені геніальним Авогадро.
Важливо враховувати, що більшою мірою залежить щільність повітря від температури і тиску, ніж від вологості. Тому вологе повітря має меншу щільність, ніж сухий тільки за умови збереження однакових значень температури і тиску.