Гидростатика

Значение атмосферы Земли

Атмосфера Земли (снимок с МКС, 2006). На больших высотах атмосфера становится очень разрежённой, так что её присутствием можно пренебречь.

Килограмм-сила: приблизительно равна силе, с которой тело массой один килограмм давит на весы на поверхности Земли.

Атмосфера Земли

Атмосфе́ра Земли́ (от. др.-греч. — пар и — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля, одна из геосфер. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя переходит в околоземную часть космического пространства.

Физика атмосферы

Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, называется физикой атмосферы. Состояние атмосферы определяет погоду и климат на поверхности Земли. Изучением погоды занимается метеорология, а климатом и его вариациями — климатология.

Характеристики атмосферы

Суммарная масса воздуха в атмосфере — (5,1—5,3)⋅1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352 ± 0,0003)⋅1018 кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27⋅1016 кг.

  • Молярная масса чистого сухого воздуха: 28,966 г/моль
  • Давление при 0 °C на уровне моря: 101,325 кПа
  • Критическая температура: −140,7 °C (~ 132,4 К)
  • Растворимость воздуха в воде при 0 °C: 0,0036%

Литература по теме

  1. Соколов В. А. Геохимия природных газов. — М., 1971.
  2. МакИвен М., Филлипс Л. Химия атмосферы. — М., 1978.
  3. Уорк K., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль, пер. с англ., М.. 1980;

Давление идеального газа

Среднее давление по всей поверхности есть отношение нормальной составляющей силы , действующей на данную поверхность, к её площади.

Давление газа

Также, давление идеального газа (системы пренебрежимо мало взаимодействующих частиц) на стенку рассчитывается как:

P = -F/A,

где F – проекция импульса на ось сближения со стенкой, а – проекция вектора плотности потока.

Давление сплошной среды — скалярная интенсивная физическая величина; характеризует состояние среды и является диагональной компонентой тензора напряжений. Размерность пространства зависит от задачи.

Интеграл распределения вероятности

Интеграл распределения вероятности при распределении Максвелла: .

Давление в разных единицах измерения

В Международной системе единиц (СИ) измеряется в паскалях (русское обозначение: Па; международное: Pa). Паскаль равен давлению, вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности площадью один квадратный метр.

Кроме того, на практике используются также единицы торр и физическая атмосфера.

Единицы измерения давления:

ЕдиницаОбозначениеКоэффициент
ПаскальПа1
Барbar1.0 x 10^5
Техническая атмосфераat9.80665 x 10^4
Физическая атмосфераatm9.6784 x 10^4
Миллиметр ртутного столбамм рт. ст.133.322
Миллиметр водяного столбамм вод. ст.9.80665
Фунт-сила на квадратный дюймpsi6894.76

Примеры пересчёта между некоторыми единицами измерения давления:

  • 1 кПа = 100 кгс/м2 = 1 кН/м2
  • 1 мм вод. ст. ≈ 9.80665 Па

Особенности использования килограмм-силы:

Килограмм-сила удобна тем, что её величина с достаточной на практике точностью равна весу тела массой в 1 кг. Человеку легко представить, например, что такое сила 5 кгс. Также килограмм-сила на квадратный сантиметр (техническая атмосфера) — хорошее приближение нормального атмосферного давления.

Манометры и использование килограмм-силы

Измерение давления газов и жидкостей выполняется с помощью манометров, дифманометров, вакуумметров, датчиков давления. Манометры в килограмм-силах на квадратный сантиметр активно применяют на железной дороге для измерения давления в тормозной системе поезда.

Атмосфера Земли

Атмосфера Земли возникла в результате двух процессов: испарения вещества космических тел при их падении на Землю и выделения газов при вулканических извержениях (дегазация земной мантии). С выделением океанов и появлением биосферы атмосфера изменялась за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

Состав сухого воздуха:

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды и углекислого газа, концентрация которого растёт с середины XX века.

Состав сухого воздуха:

ГазСодержание по объёму, %Содержание по массе, %
Азот78.0875.5
Кислород20.9523.2
Аргон0.931.28
Другие газы0.030.02
  • Азот (N2) – 78.08% по объёму
  • Кислород (O2) – 20.95% по объёму
  • Аргон (Ar) – 0.93% по объёму

Обратите внимание: концентрация газов в атмосфере может варьироваться в зависимости от региона и других факторов.

Атмосфера Земли: Содержимое и Влияние Человека

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся и другие оксиды азота (NO, NO2), пропан и другие углеводороды, CO, CO2, CH3Cl, CCl4, N2O, SO2, H2S, NH3, HCl, пары H2O, N2, O2, а также многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль). Очень редким газом в земной атмосфере является аргон.

Важные термины и их определения

Азимут

Угол между направлением на север и направлением на какой-то предмет, отсчитывается от направления на север по часовой стрелке.

Высота

Превышение точки земной поверхности по отвесной линии над уровнем моря (океана). Абсолютная высота территории, находящейся выше уровня моря, – положительная, а ниже – отрицательная.

Атмосферное давление

Сила, с которой воздух давит на земную поверхность и все находящиеся.

Абсолютная влажность воздуха

Количество водяного пара в граммах в 1м^3 воздуха.

Осадки

Вода в жидком или твердом виде, выпадающая из облаков или выделяющаяся из воздуха на охлажденных поверхностях.

Биосфера

Область Земли, в которой развивается жизнь уровнем моря.

Барометр

Прибор, с помощью которого измеряют атмосферное давление.

Бриз

Прибрежный ветер, кот. дует днем с моря на сушу, а ночью – с суши на море.

Ветер

Движение воздуха в горизонтальном направлении.

Вулкан

Горы, которые извергают магму, имеют жерло и кратер.

Гейзер

Периодически фонтанирующий источник подземной воды.

Влияние человека на атмосферу

В последнее время на эволюцию атмосферы стал оказывать влияние человек. Результатом человеческой деятельности стал постоянный рост содержания в атмосфере углекислого газа из-за сжигания углеводородного топлива, накопленного в предыдущие геологические эпохи. Громадные количества потребляются при фотосинтезе и поглощаются мировым океаном. Этот газ поступает в атмосферу благодаря разложению карбонатных горных пород и органических веществ растительного и животного происхождения, а также вследствие вулканизма и производственной деятельности человека. За последние 100 лет содержание в атмосфере возросло на 10 %, причём основная часть (360 млрд тонн) поступила в результате сжигания топлива. Если темпы роста сжигания топлива сохранятся, то в ближайшие 200—300 лет количество в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.

Загрязнение атмосферы: источники и последствия

Сжигание топлива — основной источник загрязняющих газов. Диоксид серы окисляется кислородом воздуха до SO2, а оксид азота до NO2 в верхних слоях атмосферы. Эти газы взаимодействуют с парами воды, образуя серную кислоту и азотную кислоту, которые выпадают на поверхность Земли в виде кислотных дождей. Использование двигателей внутреннего сгорания также способствует загрязнению атмосферы оксидами азота, углеводородами и свинцом.

Аэрозольное загрязнение

Аэрозольное загрязнение атмосферы имеет как естественные, так и антропогенные причины. Естественные причины включают извержение вулканов, пыльные бури, унос капель морской воды и пыльцы растений. Антропогенные причины включают добычу руд и строительных материалов, сжигание топлива, производство цемента и другие виды хозяйственной деятельности.

Воздействие на климат и здоровье

Интенсивный широкомасштабный вынос твёрдых частиц в атмосферу может привести к изменениям климата планеты. Кроме того, загрязнение атмосферы вредно для здоровья человека, вызывая проблемы с дыханием, аллергии и другие заболевания.

В целом, минимизация атмосферного загрязнения является важной задачей современного общества. Снижение выбросов вредных веществ и переход на экологически чистые источники энергии помогут сохранить чистоту воздуха и здоровье нашей планеты.

ГазВредность
Диоксид серыКислотные дожди
Оксид азотаЗагрязнение атмосферы
УглеводородыВредны для здоровья
СвинецТоксичен

Давайте вместе работать над уменьшением атмосферного загрязнения и созданием более благоприятной среды обитания для всех нас.

(греч.) — наука о равновесии газообразных веществ или газов. Главным представителем газообразных веществ является атмосферный воздух, и о нем всегда идет речь в А. Воздух, подобно жидким и твердым телам, находится под влиянием силы тяжести и вследствие этого производит давление на земную поверхность. В противоположность влиянию тяжести, у воздуха есть особое стремление, присущее всем газам, по возможности расшириться и занять возможно больший объем, т. е. воздух обладает упругостью. Это свойство является причиной уменьшения плотности атмосферного воздуха в верхних слоях, так как силе расширения, или упругости слоя воздуха, лежащего на больших высотах, противодействует относительно меньшее давление остальных выше лежащих слоев. Следствием легкой подвижности частиц воздуха является то, что всякое давление, производимое на воздушную массу, передается и распространяется равномерно во все стороны. Так, напр., одинаковые поверхности пола, потолки и стены в комнате, не принимая во внимание сравнительно ничтожную разницу их высоты, находятся под тем же давлением, как и равная им площадь земной поверхности под открытым небом. То же самое происходит, если комната заперта, так как щели и поры стен вполне достаточны для того, чтобы передать атмосферное давление внутрь комнаты. Величина атмосферного давления на земную поверхность и постоянные местные изменения ее определяются с помощью барометра (см. это сл.). Можно принять в среднем, что воздух давит на любую площадь земной поверхности, как столб ртути с тем же основанием выш. в 760 мм или как столб воды выш. в 10,4 метра. Это дает в среднем давление в 1 кг на квадр. сантиметр, и это давление принято считать за единицу меры при измерении давления, т. е. упругости газов и паров, называя ее "атмосферой давления". Приборы, служащие для измерения этого давления, или упругости, наз. манометрами (см. это слово). Опытами установлено, что объем известной воздушной массы изменяется обратно пропорционально его упругости, т. е. давлению, которому он подвергается.Под давлением 2, 3.. . 10 атмосфер одно и то же количество воздуха занимает соответственно в 2, 3.. . 10 раз меньший объем, чем под давлением одной атмосферы; если уменьшить давление, которое действует на данный объем газа, в 2, в 3 и в 10 раз, то есть сделать его равным 1/2, 1/3,.. . 1/10 атмосферы, то воздух расширится и примет в 2, 3.. . 10 раз больший объем. Этот важный закон известен под именем закона Мариотта (1676 г.), или также закона Бойля (1660 г.). Его выражают иногда след. обр.: "Упругость пара прямо пропорциональна его плотности" Закон этот был доказан с помощью Мариоттова прибора (см. рис.).

Существенной частью этого прибора является длинная, вверху открытая, внизу согнутая трубка, короткое колено которой запаяно. Сперва наливают в длинное колено столько ртути, чтобы она стояла в обоих коленах на одной высоте; воздух, запертый в коротком колене, находится, таким образом, под давлением одной наружной атмосферы.

Чтобы довести сжатием запертый в коротком колене трубки воздух до 1/2, 1/3 или 1/4,.. . того объема, который он занимал под давлением одной атмосферы, в длинное колено трубки приливают столько ртути, чтобы она стояла выше уровня ее NN в коротком колене на 1, 2, 3.. . высоты барометрического столба ртути (760 мм).

Если прибавить к высоте налитого столба ртути еще высоту наблюдаемого барометрического давления во время опыта, то, отсчитав по шкале с делениями, помещенной рядом с трубкой, сокращение объема воздуха, можно вывести указанный выше важный закон. Если погрузить в жидкость трубку, открытую с обоих концов, и высасыванием удалить из нее часть воздуха, то жидкость в трубке поднимается, вследствие перевеса наружного воздушного давления. Этим объясняется действие ливера (см. это сл.), равно как и насосов (см. это сл.) всасывательного и нагнетательного, служащих для поднимания жидкостей. Совершенно подобные же приспособления употребляют, чтобы произвести разрежение или сгущение воздуха в известном пространстве. Приборы этого рода носят название воздушных насосов (см. это сл.) или пневматических машин. Из других приборов, действие которых основано также на законах гидростатики, можно указать следующие: воздушный (аэростатический) пресс, воздушные (пневматические) железные дороги, пожарный насос, Геронов шар, Геронов фонтан, водолазный колокол и духовое ружье (см. статьи под этими словами а также статью Воздух).

Дневное и ночное состояние атмосферы Земли

Пограничный слой атмосферы

Нижний слой тропосферы (1—2 км толщиной), в котором состояние и свойства поверхности Земли непосредственно влияют на динамику атмосферы.

Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 метров.

Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры воздуха с возрастанием высоты.

Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до +0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. В середине XIX века полагали, что на высоте 12 км (6 тыс. туазов) заканчивается атмосфера Земли (Пять недель на воздушном шаре, 13 гл). В стратосфере располагается озоновый слой, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения.

Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).

Мезосфера начинается на высоте 50-55 км и простирается до 80-100 км, точная высота границ мезосферы зависит от широты и времени года. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и так далее, обусловливают свечение атмосферы.

Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около −90 °C).

Область атмосферы, прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура практически не меняется с высотой.

Экзосфера (сфера рассеяния)

Атмосферные слои до высоты 120 км

До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до минус 110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~ 150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.

На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен редкими частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разрежённых пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы.

На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу.

В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.

Гидростатика

АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ И ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ

г. Миасс Челябинской обл.

МКОУ «СОШ № 9» Учитель физики:

Дерябина Елена Юрьевна

Гидростатика

Атмосфера – воздушная оболочка Земли

Гидростатика

Гидростатика

Гидростатика

Атмосфера – смесь газов

Гидростатика

1608 – 1647

Итальянский математик и физик, ученик Галилея.

Имя Торричелли навсегда вошло в историю физики как имя человека, впервые доказавшего существование атмосферного давления и сконструировавшего первый барометр.

Гидростатика

Гидростатика

Отто фон Ге́рике

1602 – 1686

Немецкий физик, математик, инженер и философ.

Создал первый в мире водяной барометр для предсказания погоды. Доказал наличие давления воздуха.

Изобрёл электростатический генератор.

Гидростатика

Опыт Отто фон Герике с магдебургскими полушариями – знаменитый эксперимент для демонстрации силы давления воздуха и изобретённого Герике воздушного насоса.

Гидростатика

Измерение атмосферного давления

Гидростатика

Гидростатика

Влияние атмосферного давления на организм

Гидростатика

Действие атмосферного давления на организм человека и животных

Гидростатика

Благодаря атмосферному давлению суставные поверхности плотно прилегают друг к другу

Гидростатика

Гидростатика

Работа органов, действующих за счет атмосферного давления

Мышечным усилием создается отрицательное давление (разрежение) в ротовой полости, и атмосферное давление вталкивает туда порцию жидкости.

Гидростатика

Действие разного рода присосок

Присоски имеют форму либо полушарообразной чаши с липкими краями и сильно развитой мускулатурой , либо состоят из ряда складок кожи в виде узких карманов.

Гидростатика

Ловчие щупальца кальмара густо усажены разнокалиберными присосками

Рыба-прилипала, или ремора , обладает присоской, которая занимает почти всю длину головы. Эта рыба присасывается к другим рыбам, камням, а так же лодкам и кораблям.

Она присасывается так прочно, что ее легче разорвать, чем отцепить.

Гидростатика

Шея у слона короткая, и он не может нагнуть голову к воде, как это делают другие животные.

Слон опускает в воду свой хобот и втягивает в себя воздух. При этом за счет внешнего атмосферного давления вода поступает в хобот. Когда хобот наполнится водой, слон изгибает его и выливает воду в рот.

Гидростатика

Ходьба по вязкой почве

Гидростатика

Роль атмосферного давления в медицине и в быту

Гидростатика

Действие пониженного давления на человека

Гидростатика

Степень опасности пониженного атмосферного давления в зависимости от высоты местности

Зона и ее характеристика

Более 8000 метров

Смертельная зона: человек может находиться на этой высоте без дыхательного аппарата лишь короткое время – 3 минуты. На высоте 16000 метров – 9 секунд.

6000 – 8000 метров

Критическая зона: серьезные функциональные расстройства жизнедеятельности организма.

4000 – 5000 метров

Эльбрус, Ключевская сопка

Зона неполной компенсации: ухудшение общего самочувствия

2000 – 4000 метров

Зона полной компенсации: некоторые нарушения деятельности сердечно-сосудистой системы, органов чувств и др., которые благодаря мобилизации резервных сил организма быстро исчезают.

1500 – 2000 метров

Безопасная или индифферентная зона: не наблюдается каких-либо существенных изменений физиологических функций организма

Гидростатика

Тело человека приспособлено к атмосферному давлению и плохо переносит его понижение

В Андах Южной Америки, в Тибете и в некоторых других местах встречаются постоянные людские поселения на высотах около 5000 м.

Гидростатика

Гидростатика

Без права на ошибку

Прежде, чем выйти в открытый космос, космонавт должен облачиться в специальный скафандр, который полностью должен обезопасить космонавта от воздействия низкого давления, кислородного голодания, смягчить влияние резких температурных колебаний.

Время выживания незащищенного человека в открытом космосе измеряется не секундами, а скорее минутами.

Этот удивительный факт лишний раз свидетельствует о том, насколько жизнестойким является человеческий организм.

Гидростатика

Высота полета птиц

Птица кондор водится в Андах на высотах до 7000 м,

а может подниматься на высоту до 9000 м.

Во время экспедиции на Эверест в 1924 году за людьми следовали горные галки до высшего пункта подъема 8200 м.

Гриф и ястреб свободно поднимаются

до высоты 6000-7000 м.

Орел поднимается до высоты 5000 м,

остальные птицы держатся на высоте не более 4000 м.

Гидростатика

Гидростатика

Сагарматха – Властелин неба Джомолунгма – Богиня – Мать Мира Эверест – 8848 метров

Рассчитайте атмосферное давление на вершине Эвереста.

Гидростатика

Эльбрус – стратовулкан на Кавказе (5642 метра над уровнем моря) – самая высокая горная вершина России и Европы.

Рассчитайте атмосферное давление на вершине Эльбруса.

Гидростатика

Таганай – подставка для Луны 1112 метров

Рассчитайте атмосферное давление на вершине Таганая.

Гидростатика

На атмосферное давление влияет

Гидростатика

Атмосферное давление и погода

Гидростатика

Гидростатика

Если бы у Земли исчезла атмосфера

Гидростатика

1. Какое из следующих утверждений является верным: а) температура воздуха с высотой повышается; б) температура воздуха с высотой понижается?

Гидростатика

2. Температура воздуха определяется с помощью:

Гидростатика

3. Атмосферное давление — это:

а) сила, с которой воздух давит на земную поверхность и на все находящиеся на ней тела;

б) столб ртути высотой 1 мм.

Гидростатика

4. Почти весь водяной пар сосредоточен:

а) в верхних слоях атмосферы;

Гидростатика

5. Наибольшая температура воздуха наблюдается летом при ясной погоде:

Гидростатика

Гидростатика

Гидростатика

Прежде чем говорить о давлении жидкостей, следует напомнить о самом понятии давления.

Давление – это физическая величина, равная отношению силы, которая действует на некоторую площадку, к площади этой площадки:

Например, если просто давить кончиком пальца на кожу, не получится проделать дыру – палец очень широкий, и нужно приложить большую силу. Но, давя этой же силой на иголку, дырка получится – ведь теперь сила приходится на площадь конца иголки, а она очень и очень маленькая. Аналогично девушка массой 60 кг, стоя в туфлях на каблуках, создает такое же давление, как целый груженный БЕЛАЗ массой 200 т. Разница в массе нивелируется разницей в площади площадки, на которую давят.

Согласно этой формуле, жидкость также своей массой может оказывать давление на дно сосуда, в который она налита. Если заменить давящую силу силой тяжести mg, а массу жидкости – ее плотностью и объемом, останется лишь заменить объём жидкости его формулой из геометрии. Рассмотрим параллелепипед высотой h с площадью дна S для удобства:

Получается, что любая жидкость оказывает давление на дно сосуда, зависящее только от ее плотности и высоты столба:

Ширина столба жидкости не важна для создания давления. Поэтому будьте аккуратны – зажать пяткой слив воды в ванной безопасно (так как высота столба считается от слива до дна сифона, это примерно 10 см), а зажать только такой же слив в водонапорной башне высотой 10 м уже смертельно опасно.

Также можно найти среднее давление, с которым жидкость действует на боковую грань сосуда. Для этого достаточно подставить в формулу половину высоты сосуда. Но учтите – среднее давление не равно фактическому давлению в конкретной точке боковой грани. Фактическое давление можно рассчитать, зная глубину погружения этой точки относительно поверхности.

После прочтения предыдущего абзаца возник вопрос – если сила тяжести направлена вертикально вниз, как жидкость давит на боковую грань? Здесь проявляется следствие закона Паскаля – жидкость передает давление на некотором уровне во все стороны. Именно это может привести к гидроудару в квартирах – если резко вернуть жидкость в трубы, она разорвет те трубы, которые были перекрыты кранами.

Важным следствием закона Паскаля является то, что давление внутри жидкости на одной и той же глубине всегда будет одинаково. То есть, если наполнить жидкостью зигзагообразную трубу (как змеевик в квартирах), не важно, что с поверхностью жидкость сообщается лишь в одном месте. Во всех коленах этой трубы давление на одном и том же уровне будут одинаковы.

Гидростатика

С газом ситуация аналогична (пример – воздушный шарик, который расширяется во все стороны сразу).

Говоря про изогнутую трубу, мы, по сути, говорили о ряде сообщающихся друг с другом сосудов.

Сообщающиеся сосуды – это взаимодействующие друг с другом сосуды, которые имеют общее дно.

Если рассмотреть сосуды, которые сообщаются друг с другом и с атмосферой (например – стакан с соломинкой) можно заметить важное свойство – уровень одной и той же жидкости в них идентичен. Это возможно именно благодаря атмосфере – она давит на жидкости в сосудах до тех пор, пока уровень давления (а стало быть, и высоты) в них не установится равным атмосферному.

Если в один сообщающийся сосуд налить новую жидкость в дополнение к старой (в стакане с соломинкой была вода, а вы добавили в стакан немного масла), то уровни жидкости в сосудах изменятся, и больше не будут одинаковы. Но главное правило сообщающихся с атмосферой сосудов сохранится – давление в каждом сосуде будет равно атмосферному, или проще говоря – давление в каждом сосуде будет одинаково. При этом уровень, относительно которого проводятся расчеты, можно выбрать в любой части сосудов.

Это принцип сообщающихся сосудов – давление жидкостей на один и тот же уровень в сообщающихся сосудах одинаково, несмотря на разную высоту столбов жидкостей. Но если в сосудах налита одна и та же жидкость, уровень жидкости в сосудах тоже будет одинаковым.

Гидростатика

Если теперь взять два сообщающихся открытых сосуда, а потом один запаять – получится почти тоже самое. Только теперь вы не управляете воздухом в запаяной части, не можете повысить или понизить его давление. Этот воздух управляет уровнем жидкости в запаяной части – если воздух давит сильно, высота жидкости в этой части падает, пока не сможет уравновесить давление воздуха, и наоборот, когда воздух давит слабо. Но отчего зависит, как сильно давит воздух в запаяной части? Давление в сообщающихся сосудах должно быть одинаково в обеих частях, значит давление запаяной части (и высота столба жидкости в нём) зависит от давления в незапаяной части, которая сообщается с атмосферой. Получается, именно атмосфера определяет, какова будет высота столбца жидкости в запаяной части. И таким образом был создан первый барометр.

Барометр – прибор, основанный на принципе сообщающихся сосудов. Уровень жидкости в запаянной части позволяется рассчитать атмосферное давление.

Если теперь у одинаковых сообщающихся сосудов закрыть оба сосуда так, что сообщение с атмосферой пропало, но не запаивать (пример – поршнем или пробкой), то при искусственном понижении уровня воды в одном сосуде (пробку протолкнули вниз), в другом сосуде пробка сдвинется вверх на то же самое расстояние. То есть на обе пробки подействовали равные силы, направленные в разные стороны. Это следствие передачи давления внутри жидкости против сжимания расстояния между молекулами жидкости.

Если теперь сосуды будут разного диаметра, то при движении пробки в одной части сосуда вниз, пробка в другой части сосуда уедет вверх не на то же самое расстояние. Это устройство называется гидравлическим прессом и уже упоминалось в теории по КПД (гидроусилитель руля в автомобиле). Принцип гидравлического поршня кроется в золотом правиле механике – если заставить поршень в узкой части сосуда сдвинутся сильно вниз (для этого нужна маленькая сила), то в широкой части сосуда поршень сдвинется вверх, хоть для этого и нужна большая сила. Выигрыш в силе, проигрыш в расстоянии.

Гидравлический пресс – машина, создающая усилие, значительно превосходящее изначально приложенное.

Гидростатика

Расстояние, которое пройдет каждая площадка по вертикале называется ходом поршня. Очевидно, что для малого поршня оно значительно больше, чем для большого.

Другие свойства атмосферы и воздействие на человеческий организм

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 9 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъёма на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В лёгких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

С точки зрения физиологии человека «космос» начинается уже на высоте около 19—20 км. На этой высоте давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. и температура кипения воды равна температуре тела — 36,6 °C, что приводит к кипению воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметичной кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно.

Плотные слои воздуха — тропосфера и стратосфера — защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация — первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъёма на всё большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и другие.

В разрежённых слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но начиная с высот 100—130 км, знакомые каждому лётчику понятия числа М и звукового барьера теряют свой смысл: там проходит условная линия Кармана, за которой начинается область чисто баллистического полёта, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путём конвекции (то есть с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолёте, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является тепловое излучение.

История образования атмосферы

Согласно наиболее распространённой теории, атмосфера Земли на протяжении истории последней перебыла в трёх различных составах:

Однако геологическая летопись показывает непрерывную относительно тёплую поверхность в течение всей ранней температурной записи Земли, за исключением одной холодной ледниковой фазы около 2,4 миллиарда лет назад. В позднем архее начала развиваться кислородсодержащая атмосфера, по-видимому, созданная фотосинтезирующими цианобактериями (см. Кислородная катастрофа), которые были обнаружены в виде окаменелостей строматолитов возрастом 2,7 млрд лет. Изотопный состав углерода (en:Stable isotope ratio) убедительно свидетельствует об условиях, подобных нынешним, и о том, что фундаментальные черты геохимического углеродного цикла установились уже 4 млрд лет назад.

Образование большого количества азота обусловлено окислением аммиачно-водородной атмосферы молекулярным кислородом , который стал поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза, начиная с 3 млрд лет назад. Также азот выделяется в атмосферу в результате денитрификации нитратов и других азотосодержащих соединений. Азот окисляется озоном до в верхних слоях атмосферы.

Азот вступает в реакции лишь в специфических условиях (например, при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в промышленном изготовлении азотных удобрений. Окислять его с малыми энергозатратами и переводить в биологически активную форму могут цианобактерии (сине-зелёные водоросли) и клубеньковые бактерии, формирующие ризобиальный симбиоз с бобовыми растениями, которые могут быть эффективными сидератами — растениями, которые не истощают, а обогащают почву естественными удобрениями.

Состав атмосферы начал радикально меняться с появлением на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа. Первоначально кислород расходовался на окисление восстановленных соединений — аммиака, углеводородов, закисной формы железа, содержавшейся в океанах и другом. По окончании данного этапа содержание кислорода в атмосфере стало расти. Постепенно образовалась современная атмосфера, обладающая окислительными свойствами. Поскольку это вызвало серьёзные и резкие изменения многих процессов, протекающих в атмосфере, литосфере и биосфере, это событие получило название Кислородная катастрофа.

В течение фанерозоя состав атмосферы и содержание кислорода претерпевали изменения. Они коррелировали прежде всего со скоростью отложения органических осадочных пород. Так, в периоды угленакопления содержание кислорода в атмосфере, видимо, заметно превышало современный уровень.

Содержание в атмосфере зависит от вулканической деятельности и химических процессов в земных оболочках, от интенсивности биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли. Практически вся текущая биомасса планеты (около 2,4⋅1012 тонн) образуется за счёт углекислоты, азота и водяного пара, содержащихся в атмосферном воздухе. Захороненная в океане, в болотах и в лесах органика превращается в уголь, нефть и природный газ.

Содержание углекислого газа в атмосфере зависит также от растворимости газа в воде океанов, что связано с температурой воды и её кислотностью.

Источниками инертных газов являются вулканические извержения и распад радиоактивных элементов. Земля в целом, и атмосфера в частности, обеднены инертными газами по сравнению с космосом и некоторыми другими планетами. Это относится к гелию, неону, криптону, ксенону и радону. Концентрация же аргона, напротив аномально высока и составляет почти 1 % от газового состава атмосферы. Большое количество данного газа обусловлено интенсивным распадом радиоактивного изотопа калий-40 в недрах Земли.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *