Свойства воздуха

Определения и обозначения

Воздух — смесь газов, которая окружает Землю. В его составе больше всего азота, а следующим по количеству идёт кислород; есть и другие газы. Воздух необходим для дыхания многих организмов и образует атмосферу, в которой происходят природные явления.

Сжимаемость воздуха — способность занимать меньший объём, если на воздух увеличить давление. Например, в закрытом шприце поршень можно немного продвинуть: воздух внутри сожмётся. Это свойство используют, когда накачивают шины или работают с насосом.

Упругость воздуха — способность сжатого воздуха расширяться и стремиться вернуть прежний объём. Если отпустить поршень закрытого шприца, воздух будет давить на него наружу. Благодаря упругости надутый мяч или шарик сохраняет форму и пружинит при нажатии.

Атмосферное давление — давление воздуха на поверхность Земли и находящиеся на ней предметы. Оно возникает потому, что воздух имеет массу и притягивается Землёй. Знание об этом давлении помогает объяснить действие присосок и некоторые изменения погоды.

Как это устроено

Хотя воздух невидим, он занимает пространство: его частицы находятся в промежутках между предметами и заполняют доступное место. Это можно проверить перевёрнутым стаканом, опущенным в воду отверстием вниз: вода не входит внутрь, потому что там уже есть воздух. Если наклонить стакан, воздух выйдет пузырьками, а освободившееся место займёт вода. Другой простой пример — шарик: при надувании он увеличивается, потому что внутрь поступает воздух, который растягивает его стенки.

Воздух можно сжать, потому что его частицы не расположены вплотную: между ними есть промежутки. Когда на поршень шприца нажимают, частицы оказываются ближе друг к другу, и тот же воздух занимает меньший объём. Чем сильнее уменьшается объём, тем чаще частицы ударяются о стенки и тем больше становится давление. Поэтому закрытый шприц сначала поддаётся нажатию, а затем поршень движется с трудом.

После сжатия частицы воздуха стремятся разойтись, поэтому воздух давит на стенки сосуда и поршень. Эта способность расширяться называется упругостью: если убрать внешнее давление, сжатый воздух старается занять больше места. Так действуют надувные предметы — воздух внутри поддерживает их форму и сопротивляется нажатию. В насосе сжатый воздух можно направить в шину, чтобы наполнить её и сделать упругой.

При нагревании частицы воздуха движутся быстрее и сильнее разлетаются друг от друга, если могут свободно перемещаться. Поэтому воздух расширяется; при охлаждении частицы движутся медленнее и воздух сжимается. В закрытом сосуде его объём почти не меняется, зато при нагревании возрастает давление на стенки. Так можно понять, почему у мяча после охлаждения давление может уменьшиться, а при нагревании — увеличиться.

Воздух давит на предметы со всех сторон, потому что его частицы движутся во всех направлениях и сталкиваются с поверхностями. Давление атмосферы зависит от условий, например от высоты над уровнем моря: чем выше, тем обычно меньше слой воздуха над человеком и тем ниже давление. Присоска держится на гладкой поверхности, когда давление снаружи прижимает её сильнее, чем воздух под ней. Изменения атмосферного давления также учитывают при наблюдениях за погодой.

Основные свойства воздуха

Таблица помогает связать каждое свойство с наблюдением и практическим примером. Чтобы проверить себя, попробуй сначала объяснить, что именно происходит с воздухом в опыте, а затем назови его свойство. Одно явление может показывать сразу несколько свойств: например, надувание мяча связано и с поступлением воздуха, и с его упругостью.

Разбор задач

Задача 1. Как доказать, что в перевёрнутом стакане, опущенном в воду отверстием вниз, есть воздух? Нужно объяснить, почему вода не заполняет стакан сразу. Сравним результат, когда стакан стоит ровно, и когда его наклоняют.

1. Опусти стакан в воду отверстием вниз, не наклоняя его.
2. Заметь, что вода не заполняет стакан полностью: внутри уже находится воздух, который занимает пространство.
3. Наклони стакан и наблюдай пузырьки: это выходит воздух, а его место занимает вода.

Ответ: в стакане есть воздух, потому что при наклоне он выходит пузырьками, после чего внутрь может попасть вода.

Задача 2. В шприце закрыли отверстие пальцем и нажали на поршень. Почему поршень немного переместился, но затем нажимать стало трудно? Важно учесть, что воздух не может выйти из шприца, а объём пространства внутри уменьшается. Значит, меняются и расстояния между частицами, и давление воздуха.

1. В начале нажатия частицы воздуха сближаются, потому что между ними есть промежутки.
2. Объём воздуха уменьшается, но воздух остаётся внутри закрытого шприца.
3. При дальнейшем сжатии частицы чаще ударяются о стенки, давление растёт и сильнее противодействует поршню.

Ответ: поршень немного продвинулся из-за сжимаемости воздуха, а затем нажимать стало трудно из-за возросшего давления.

Задача 3. Почему надутый мяч становится мягче после охлаждения, а при нагревании давление в нём может увеличиться? Нужно связать изменение температуры с движением частиц. Мяч сохраняет почти постоянную форму, поэтому особенно заметно меняется давление воздуха внутри.

1. При охлаждении частицы воздуха движутся медленнее и слабее ударяются о стенки мяча.
2. Давление внутри уменьшается, поэтому мяч кажется более мягким.
3. При нагревании частицы движутся быстрее и чаще ударяются о стенки, из-за чего давление может вырасти.

Ответ: охлаждённый воздух оказывает меньшее давление, а нагретый — большее, если объём мяча почти не меняется.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что воздух — это только кислород. Так думают, потому что кислород важен для дыхания, но воздух представляет собой смесь нескольких газов. Проверь себя: вспомни, какой газ преобладает в воздухе, и назови кислород как второй по количеству. Значит, отождествлять воздух с одним газом нельзя.

Ошибка: думать, что невидимый воздух ничего не занимает. Невидимость мешает заметить его, но опыт со стаканом показывает, что вода не входит туда, где уже находится воздух. Проверь себя, наклонив стакан: выход пузырьков и появление воды на их месте доказывают, что воздух занимал пространство. Если предмет кажется пустым, в нём всё равно может быть воздух.

Ошибка: путать сжимаемость и упругость. Их смешивают, потому что оба свойства можно наблюдать в одном шприце. Сжимаемость — уменьшение объёма при нажатии, а упругость — стремление сжатого воздуха расшириться. Проверь себя вопросом: воздух сейчас сжимают или он давит обратно?

Ошибка: считать, что нагретый воздух становится тяжелее. Нагревание ускоряет движение частиц, и воздух обычно расширяется, поэтому его плотность уменьшается. Такое заблуждение возникает, если перепутать увеличение температуры с увеличением массы воздуха. Проверь себя: в одном и том же объёме нагретого воздуха обычно меньше, чем холодного, а не больше.

Связь с другими темами

Для понимания свойств воздуха полезно знать, что вещества состоят из частиц и могут находиться в разных состояниях. Представление о частицах объясняет, почему газ заполняет доступное пространство и сжимается. А сравнение газов с жидкостями и твёрдыми телами помогает увидеть, чем различается расположение их частиц.

Свойства воздуха пригодятся при изучении погоды, ветра и круговорота воды в природе. Движение воздуха связано с изменениями температуры и давления, а атмосфера участвует в природных процессах. Поэтому наблюдения за воздухом помогают объяснять явления, которые происходят вокруг нас.

Сжимаемость и упругость воздуха важны для понимания работы насосов, шин и других устройств. Насос уменьшает объём воздуха и направляет его в нужное место, а в шине сжатый воздух поддерживает форму. Эти примеры показывают, как свойства вещества используют в технике.

Что запомнить

• Воздух — смесь газов, окружающая Землю.
• Воздух невидим, но занимает пространство.
• Воздух можно сжать.
• Сжатый воздух упруг и стремится расшириться.
• При нагревании воздух расширяется, при охлаждении — сжимается.
• Воздух оказывает давление на окружающие предметы.