Свойства воздуха

Воздух кажется «ничем», потому что он прозрачен и обычно невидим. Но стоит надуть шарик, открыть окно в ветреный день или нажать на поршень насоса — становится ясно, что воздух действительно существует и обладает физическими свойствами. Он занимает место, имеет массу, оказывает давление, может сжиматься и расширяться, перемещаться и переносить тепло и влагу.

Почему воздух трудно увидеть, но легко обнаружить

Большинство газов, составляющих чистый воздух, бесцветны. Поэтому спокойный воздух перед глазами почти незаметен. Однако мы можем судить о нём по результатам его действия. Колышется занавеска — значит, воздух движется. Раздувается воздушный шар — внутри появился газ, который занял объём. Парашют замедляет падение — его большая поверхность взаимодействует с воздухом.

Такой способ познания очень важен в науке: не всё можно увидеть непосредственно, но свойства объекта можно исследовать по наблюдаемым явлениям.

Воздух занимает место

Воздух заполняет свободное пространство. Это можно увидеть в простом безопасном опыте с сухим стаканом. Если перевернуть стакан вверх дном и медленно опустить его строго вертикально в ёмкость с водой, вода не заполнит стакан полностью. Внутри уже находится воздух, и он занимает место. Если наклонить стакан, часть воздуха выйдет пузырьками, а вода займёт освободившийся объём.

Важно сказать правильно: стакан до опыта не был «пустым». Он был заполнен воздухом. В быту мы называем пустой коробку или бутылку, если в ней нет видимого содержимого, но физически внутри обычно находится газ.

У воздуха есть масса

Воздух имеет массу, хотя небольшое его количество очень лёгкое. Масса одного и того же объёма зависит от температуры, давления и влажности. В школьном опыте наличие массы можно показать сравнением одинаковых воздушных шаров: надутый шар содержит больше воздуха, чем ненадутый, а значит, при точном измерении окажется тяжелее.

Из-за земного притяжения вся огромная масса атмосферы давит на поверхность планеты. Мы не ощущаем это давление как тяжёлую плиту, потому что оно действует со всех сторон, а жидкости и газы внутри нашего организма создают встречное давление.

Воздух оказывает давление

Давление показывает, с какой силой вещество действует на определённую площадь. Молекулы воздуха постоянно движутся и сталкиваются с поверхностями. Огромное число таких столкновений создаёт атмосферное давление.

Давление воздуха измеряют барометром. В международных справочных условиях стандартное атмосферное давление на уровне моря принимают равным 1013,25 гектопаскаля. Реальное давление в конкретном месте меняется вместе с погодой и высотой. В горах оно ниже, потому что над человеком находится меньшая масса воздуха.

Для ученика начальной школы главное понять принцип: воздух не просто находится вокруг нас, а давит на предметы. Изменения этого давления связаны с погодой и движением воздушных масс.

Воздух можно сжать

В газе расстояния между частицами значительно больше, чем в жидкости или твёрдом теле. Поэтому воздух можно заметно сжимать. Это хорошо чувствуется в закрытом шприце без иглы: если закрыть отверстие пальцем и осторожно давить на поршень, он сначала движется, уменьшая объём воздуха, а затем сопротивление становится сильнее.

Сжатый воздух старается расшириться обратно. Это свойство используется в пневматических инструментах, компрессорах, насосах, некоторых тормозных системах и множестве других устройств.

Чем газ отличается от жидкости

Эта таблица показывает, почему нельзя говорить, что воздух «ничего не весит» или «не занимает места». Газ — такое же вещество, как жидкость или твёрдое тело, просто его частицы расположены и движутся иначе.

Воздух расширяется при нагревании

Когда газ нагревается, его частицы в среднем движутся быстрее. Если газ может свободно менять объём, он расширяется. При охлаждении происходит обратное: газ может занимать меньший объём и становиться плотнее.

В реальной атмосфере нагрев воздуха от поверхности Земли играет большую роль. Солнечные лучи нагревают сушу и воду, а уже нагретая поверхность передаёт часть энергии нижнему слою воздуха. Более тёплый воздух при одинаковом давлении обычно менее плотный и может подниматься, а более холодный и плотный — опускаться. Так возникают конвективные движения, связанные с образованием облаков, ветра и другими погодными процессами.

Нельзя превращать это в слишком простое правило «любой тёплый воздух всегда летит вверх». На движение атмосферы одновременно влияют давление, влажность, рельеф, вращение Земли и другие факторы. Но связь температуры с плотностью полезна как первое объяснение.

Почему горячий воздушный шар поднимается

В оболочке аэростата воздух нагревают. При той же внешней атмосфере горячий воздух внутри становится менее плотным, чем более холодный воздух снаружи. Если подъёмная сила оказывается больше веса системы, шар поднимается.

Это не значит, что «у горячего воздуха нет массы». Масса у него есть. Главное — различие плотности: в одинаковом объёме горячего воздуха при подходящих условиях находится меньше массы, чем в таком же объёме более холодного воздуха.

Воздух прозрачен, но взаимодействует со светом

Чистый воздух пропускает большую часть видимого света, поэтому мы видим окружающие предметы через него. Однако атмосфера всё равно рассеивает свет. Именно из-за рассеяния коротковолновой части видимого света дневное небо обычно выглядит голубым.

Если в воздухе много дыма, пыли или капелек воды, прозрачность уменьшается. Так появляется дымка или туман. Следовательно, «прозрачность воздуха» не означает, что атмосфера вообще никак не взаимодействует со светом.

Есть ли у воздуха цвет, вкус и запах

Чистая смесь основных атмосферных газов для человека практически бесцветна, не имеет выраженного вкуса и собственного запаха. То, что мы называем запахом леса, моря, дыма или еды, создают молекулы других веществ, попавшие в воздух.

Мы ощущаем запах, когда молекулы летучих веществ перемещаются вместе с воздухом и достигают органов обоняния. Поэтому запах — полезный пример того, как воздушная среда переносит вещества.

Неподвижный воздух плохо проводит тепло

Неподвижный воздух — сравнительно плохой проводник тепла. Поэтому слой воздуха может работать как теплоизоляция. Пуховая одежда, шерсть, перья птиц и мех животных удерживают множество маленьких воздушных промежутков, уменьшая потерю тепла.

Двойные и тройные стеклопакеты тоже используют газовые прослойки между стёклами. Чем меньше нежелательная циркуляция внутри такой прослойки, тем лучше она помогает уменьшить перенос тепла.

Почему движущийся воздух охлаждает сильнее

Ветер уносит нагретый около кожи слой воздуха и ускоряет теплообмен. Поэтому на холоде одна и та же температура ощущается по-разному в штиль и при сильном ветре.

Летом вентилятор тоже создаёт движение воздуха. Он не обязан заметно понижать температуру всей комнаты, но помогает телу быстрее отдавать тепло и усиливает испарение пота. Именно поэтому человеку становится комфортнее.

Через воздух распространяется звук

Звук — это механические колебания, которые распространяются через вещество. В обычной жизни таким веществом чаще всего служит воздух. Голос заставляет колебаться воздух, колебания доходят до уха другого человека и воспринимаются как звук.

В космическом вакууме, где почти нет частиц, обычный звук передаваться не может. Поэтому сцены в фильмах, где взрыв в открытом космосе слышен так же громко, как на Земле, художественно эффектны, но физически неточны для наблюдателя, находящегося в вакууме.

Воздух оказывает сопротивление движению

Когда предмет движется через воздух, он сталкивается с молекулами газа и создаёт поток вокруг себя. Возникает аэродинамическое сопротивление. Оно зависит от скорости, формы предмета, площади, плотности воздуха и других факторов.

Парашют специально имеет большую площадь. Воздушное сопротивление помогает уменьшить скорость падения. У автомобиля, напротив, форму стараются делать более обтекаемой, чтобы уменьшить сопротивление, расход энергии и шум на высокой скорости.

Как самолёт использует воздух

Крыло самолёта движется относительно воздуха и изменяет воздушный поток. Возникает аэродинамическая подъёмная сила. Она связана с распределением давления вокруг крыла и отклонением потока воздуха вниз. Поэтому самолёту для полёта нужна воздушная среда и достаточная скорость относительно неё.

Вертолёт создаёт подъёмную силу вращающимися лопастями, которые работают как движущиеся крылья. Птицы и насекомые используют похожий общий принцип взаимодействия крыльев с воздухом, хотя их движения намного сложнее.

Воздух упругий

Если газ сжать, давление внутри обычно возрастает. Когда внешняя сила уменьшается, газ стремится расшириться. Такое поведение называют упругостью газа. Именно поэтому надутый мяч пружинит при ударе: оболочка деформируется, а воздух внутри создаёт давление.

Нужно помнить, что слишком сильное давление может разорвать оболочку. Нельзя нагревать закрытые аэрозольные баллоны, бросать их в огонь или самостоятельно проводить опасные опыты с герметичными ёмкостями.

Влажность — ещё одно важное свойство реального воздуха

Реальный воздух почти всегда содержит некоторое количество водяного пара. Относительная влажность показывает, насколько воздух близок к насыщению водяным паром при данной температуре. Поэтому одинаковое количество воды в воздухе может соответствовать разной относительной влажности при разных температурах.

Высокая влажность влияет на испарение пота, образование тумана и облаков, состояние растений и ощущение погоды человеком. Для измерения влажности используют гигрометры и другие приборы.

Как свойства воздуха используются в жизни

• Шины и мячи. Сжатый воздух создаёт давление и упругость.
• Парашюты. Большая поверхность увеличивает взаимодействие с воздушным потоком.
• Самолёты. Воздух необходим для возникновения аэродинамических сил.
• Вентиляция. Управляемое движение воздуха заменяет загрязнённый воздух более свежим.
• Теплоизоляция. Неподвижные воздушные прослойки уменьшают теплопередачу.
• Духовые инструменты. Звук связан с колебаниями воздушного столба.
• Пневматические устройства. Используют давление и сжимаемость газа.

Три безопасных наблюдения для школьного доклада

1. Воздух занимает объём

Опустите перевёрнутый стакан в воду вместе со взрослым. Пока стакан держат ровно, вода почти не входит внутрь. После наклона выходят пузырьки. Это воздух освобождает место для воды.

2. Движущийся воздух действует на предметы

Сделайте бумажную вертушку или подвесьте лёгкую полоску бумаги. Даже слабое дуновение заставит её двигаться. Так можно показать действие воздушного потока без огня и сложного оборудования.

3. Воздух можно сжимать

Используйте чистый пластиковый шприц без иглы. Закройте отверстие и мягко нажмите на поршень. Воздух внутри уменьшит объём, но будет всё сильнее сопротивляться.

Распространённые ошибки

«Воздух невесомый». Нет: у воздуха есть масса. Просто небольшое количество воздуха очень лёгкое.

«Воздух — это кислород». Нет: кислород составляет около одной пятой сухого воздуха; больше всего в атмосфере азота.

«Тёплый воздух ничего не весит». Он имеет массу. При одинаковом давлении тёплый воздух обычно менее плотный, чем холодный.

«Если воздух прозрачный, его нет». Прозрачность означает, что вещество хорошо пропускает видимый свет, а не отсутствие вещества.

«Ветер создаётся деревьями». Деревья лишь показывают движение воздуха; ветер возникает из-за процессов в атмосфере.

Краткий план доклада

1. Как обнаружить невидимый воздух.
2. Воздух занимает место и имеет массу.
3. Атмосферное давление и сжимаемость.
4. Расширение воздуха при нагревании.
5. Прозрачность, звук и теплопередача.
6. Сопротивление воздуха и движение.
7. Использование свойств воздуха человеком.

Вывод

Воздух — реальное вещество с целым набором физических свойств. Он занимает объём, имеет массу, оказывает давление, может сжиматься, расширяться и двигаться. Через воздух распространяется звук, а воздушные прослойки и потоки влияют на передачу тепла. Воздух создаёт сопротивление движению и участвует в возникновении аэродинамических сил. Эти свойства объясняют множество привычных явлений — от работы насоса и парашюта до полёта самолёта, вентиляции и погоды.