Ещё о свойствах воздуха

Определения и обозначения

Воздух — смесь газов, окружающая Землю. В его составе больше всего азота и кислорода, есть также другие газы и водяной пар. Воздух необходим живым организмам, а его свойства влияют на погоду и движение воздушных масс. Хотя воздух невидим, он занимает место и участвует во многих природных процессах.

Сжимаемость воздуха — способность воздуха занимать меньший объём, если на него надавить. При этом воздух не исчезает: его частицы оказываются ближе друг к другу. Когда давление прекращается, частицы снова располагаются дальше, и воздух стремится расшириться. Это свойство используют, например, в насосах.

Давление воздуха — действие воздуха на окружающие тела и поверхности. Оно возникает потому, что частицы воздуха постоянно движутся и ударяются о предметы. Удары происходят со всех сторон, поэтому давление воздуха направлено не только вниз. Это понятие помогает объяснить работу насоса и действие окружающего нас воздуха.

Тепловое расширение воздуха — увеличение его объёма при нагревании. Частицы нагретого воздуха движутся быстрее и в среднем располагаются дальше друг от друга. Поэтому та же порция воздуха занимает больше места, а её плотность уменьшается. Это помогает понять, почему нагретый воздух поднимается.

Как это устроено

Воздух имеет массу, хотя его нельзя увидеть, потому что он состоит из частиц вещества. Убедиться в этом можно, сравнив на весах одинаковые надутый и сдутый шарики: надутый обычно окажется немного тяжелее. Разница связана с воздухом, который добавили внутрь шарика. Такой опыт показывает, что невидимое вещество тоже может иметь массу.

Когда воздух сжимают, например поршнем в закрытом шприце, частицы оказываются в меньшем пространстве. Воздух всё ещё находится внутри, но занимает меньший объём. Частицы продолжают двигаться и ударяться о стенки, в том числе о поршень. После ослабления давления эти удары помогают поршню двигаться обратно, а воздуху — расширяться.

Давление возникает из-за постоянного движения частиц воздуха: они сталкиваются с поверхностями и передают им толчки. Частицы движутся не только вниз, поэтому удары приходятся на предмет со всех сторон. Например, воздух давит на боковые стенки надутого шарика, отчего тот сохраняет округлую форму. Внутри шарика частицы также давят на его оболочку.

При нагревании частицы воздуха получают больше энергии и движутся быстрее. Они чаще и сильнее раздвигаются, поэтому воздух расширяется; если масса порции не меняется, увеличение объёма означает уменьшение её плотности. Более лёгкая по плотности порция поднимается среди окружающего более плотного воздуха. При охлаждении частицы движутся медленнее, воздух занимает меньший объём и становится плотнее, поэтому обычно опускается.

Свойства воздуха можно увидеть в работе простых устройств и в природных явлениях. В воздушном насосе поршень сжимает воздух, а его стремление расшириться помогает перемещать воздух или надувать предмет. Шарик раздувается, когда внутрь попадает воздух и давит на стенки оболочки. Движение тёплого воздуха вверх объясняется его расширением и меньшей плотностью по сравнению с холодным.

Свойства воздуха и их проявления

Сначала найдите в таблице свойство, а затем проследите, что происходит с воздухом и какое наблюдение это подтверждает. Примеры помогают связать невидимые изменения с тем, что можно заметить в опыте или в окружающем мире.

Разбор задач

Надутый и сдутый шарики на весах

Условие: на весы положили одинаковые по размеру надутый и сдутый шарики. Нужно определить, какой окажется тяжелее и почему. Для сравнения важно учитывать не только оболочки шариков, но и воздух внутри одного из них. Считаем, что шарики и их оболочки одинаковы, а воздух не выходит во время взвешивания.

1. Сравним оболочки: они одинаковые, поэтому сами по себе не объясняют разницу показаний.
2. Внутри надутого шарика находится дополнительная порция воздуха, а в сдутом её гораздо меньше.
3. Воздух имеет массу, поэтому дополнительный воздух увеличивает общую массу шарика.

Ответ: надутый шарик окажется тяжелее, потому что содержащийся в нём воздух имеет массу. Разница может быть небольшой, поэтому для наблюдения нужны точные весы. Вывод основан на сравнении одинаковых оболочек, а не на том, что один шарик просто выглядит больше.

Сжатие воздуха в закрытом шприце

Условие: в шприце оставили воздух, закрыли отверстие и нажимают на поршень, не вынимая его. Нужно объяснить, что происходит с воздухом и почему поршень стремится вернуться. Закрытое отверстие не даёт воздуху выйти, поэтому изменение связано именно с его сжатием. Поршень можно отпустить после нажатия и наблюдать его движение.

1. При нажатии поршень перемещается внутрь, и доступное воздуху пространство становится меньше.
2. Частицы воздуха остаются внутри, но оказываются ближе друг к другу; воздух не исчезает.
3. Сжатый воздух действует на поршень и стремится занять больший объём, поэтому при ослаблении руки поршень движется наружу.

Ответ: объём воздуха уменьшается, а после прекращения нажатия воздух расширяется и выталкивает поршень обратно. Если отверстие шприца не закрыто, воздух может выходить, и наблюдение будет другим. Значит, для опыта важно удерживать воздух внутри.

Нагревание и охлаждение воздуха в закрытом сосуде

Условие: воздух в сосуде нагрели, а затем охладили. Нужно сравнить объём и объяснить изменения через движение частиц и плотность воздуха. Рассуждаем о той же порции воздуха и предполагаем, что сосуд позволяет заметить изменение объёма. Если сосуд совершенно твёрдый и не меняет форму, вместо заметного увеличения объёма может вырасти давление.

1. При нагревании частицы движутся быстрее и сильнее раздвигаются, поэтому воздух стремится занять больший объём.
2. Масса той же порции не меняется, а объём увеличивается; значит, плотность воздуха уменьшается.
3. При охлаждении частицы движутся медленнее, воздух занимает меньший объём, а его плотность возрастает.

Ответ: при нагревании воздух расширяется и становится менее плотным, а при охлаждении сжимается и становится плотнее. Эта цепочка объясняет, почему тёплый воздух обычно поднимается относительно холодного. Нельзя говорить, что при нагревании та же порция воздуха становится тяжелее: меняются её объём и плотность.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что невидимый воздух не имеет массы. Так думают, потому что воздух нельзя взять в руки или увидеть, как твёрдый предмет. Проверить себя можно сравнением одинаковых надутого и сдутого шариков на весах. Если надутый шарик тяжелее, значит, добавленный внутрь невидимый воздух тоже имеет массу.

Ошибка — путать сжатие воздуха с его исчезновением. Когда поршень в закрытом шприце движется внутрь, воздух занимает меньший объём, но остаётся внутри. Такое заблуждение возникает, если судить только по уменьшившемуся пространству. Проверьте себя: закрытое отверстие не позволяет воздуху выйти, значит, меняется его объём, а не наличие.

Ошибка — полагать, что воздух давит только вниз. Кажется, что давление связано с весом воздуха над предметом, однако частицы движутся в разных направлениях и ударяются о поверхность со всех сторон. Это можно проверить по надутому шарику: воздух внутри давит не только на его нижнюю часть. Если представить движения частиц, легко понять, почему давление бывает направлено в стороны и вверх.

Ошибка — думать, что при нагревании воздух становится тяжелее. Обычно путают увеличение объёма с увеличением массы, хотя у той же порции воздуха масса остаётся прежней. При нагревании меняются объём и плотность: объём возрастает, плотность уменьшается. Проверьте рассуждение вопросом: добавляли ли в сосуд новую порцию воздуха? Если нет, масса не увеличилась.

Связь с другими темами

Для изучения свойств воздуха нужно знать, что воздух — газ, а вещества состоят из частиц. Тогда легче объяснить, почему воздух сжимается, давит на предметы и расширяется при нагревании. Знание о нагревании и охлаждении пригодится при изучении ветра, погоды и движения воздушных масс. Представление о давлении поможет разобраться в атмосферном давлении и принципе работы насосов.

Что запомнить

• Воздух имеет массу, хотя его не видно.
• Воздух можно сжать, но он стремится расшириться.
• Воздух оказывает давление во всех направлениях.
• При нагревании воздух расширяется.
• Нагретый воздух обычно менее плотный и поднимается.
• При охлаждении воздух сжимается и становится плотнее.