Все об атмосферном воздухе. Что такое воздух и из чего он состоит

Газовый состав атмосферного воздуха

Газовый состав воздуха, которым мы дышим, выглядит так: 78% составляет азот, 21 % - кислород и 1% приходится на другие газы. Но в атмосфере крупных промышленных городов это соотношение часто нарушено. Значительную долю составляют вредные примеси, обусловленные выбросами предприятий и автотранспорта. Автотранспорт привносит в атмосферу многие примеси: углеводороды неизвестного состава, бенз(а)пирен, углекислый газ, соединения серы и азота, свинец, угарный газ.

Атмосфера состоит из смеси ряда газов - воздуха, в котором взвешены коллоидные примеси - пыль, капельки, кристаллы и пр. С высотой состав атмосферного воздуха меняется мало. Однако начиная с высоты около 100 км, наряду с молекулярным кислородом и азотом появляется и атомарный в результате диссоциации молекул, и начинается гравитационное разделение газов. Выше 300 км в атмосфере преобладает атомарный кислород, выше 1000 км - гелий и затем атомарный водород. Давление и плотность атмосферы убывают с высотой; около половины всей массы атмосферы сосредоточено в нижних 5 км, 9/10 - в нижних 20 км и 99,5% - в нижних 80 км. На высотах около 750 км плотность воздуха падает до 10-10 г/м3 (тогда как у земной поверхности она порядка 103 г/м3), но и такая малая плотность еще достаточна для возникновения полярных сияний. Резкой верхней границы атмосфера не имеет; плотность составляющих ее газов

В состав атмосферного воздуха, которым дышит каждый из нас, входят несколько газов, основными из которых являются: азот(78.09%), кислород(20.95%), водород(0.01%) двуокись углерода (углекислый газ)(0.03%) и инертные газы(0.93%). Кроме того, в воздухе всегда находится некоторое кол-во водяных паров, кол-во которых всегда изменяется с переменой температуры: чем выше температура, тем содержание пара больше и наоборот. Вследствие колебания кол-ва водяных паров в воздухе процентное содержание в нем газов также непостоянно. Все газы, входящие в состав воздуха, бесцветны и не имеют запаха. Вес воздуха изменяется в зависимости не только от температуры, но и от содержания в нем водяных паров. При одинаковой температуре вес сухого воздуха больше, чем влажного, т.к. водяные пары значительно легче паров воздуха.

В таблице приведен газовый состав атмосферы в объемном массовом отношении, а также время жизни основных компонентов:

Компонент	% объемные	% массовые
N 2	78,09	75,50
O 2	20,95	23,15
Ar	0,933	1,292
CO 2	0,03	0,046
Ne	1,8 10 -3	1,4 10 -3
He	4,6 10 -4	6,4 10 -5
CH 4	1,52 10 -4	8,4 10 -5
Kr	1,14 10 -4	3 10 -4
H 2	5 10 -5	8 10 -5
N 2 O	5 10 -5	8 10 -5
Xe	8,6 10 -6	4 10 -5
O 3	3 10 -7 - 3 10 -6	5 10 -7 - 5 10 -6
Rn	6 10 -18	4,5 10 -17

Свойства газов, входящих в состав атмосферного воздуха под давлением меняются.

К примеру: кислород под давлением более 2-х атмосфер оказывает ядовитое действие на организм.

Азот под давлением свыше 5 атмосфер оказывает наркотическое действие (азотное опьянение). Быстрый подъем из глубины вызывает кессонную болезнь из-за бурного выделения пузырьков азота из крови, как бы вспенивая ее.

Повышение углекислого газа более 3% в дыхательной смеси вызывает смерть.

Каждый компонент, входящий в состав воздуха, с повышением давления до определенных границ становится ядом, способным отравить организм.

Исследования газового состава атмосферы. Атмосферная химия

Для истории бурного развития сравнительно молодой отрасли науки, именуемой атмосферной химией, более всего подходит термин “спурт” (бросок), применяемый в высокоскоростных видах спорта. Выстрелом же из стартового пистолета, пожалуй, послужили две статьи, опубликованные в начале 1970-х годов. Речь в них шла о возможном разрушении стратосферного озона оксидами азота - NO и NO 2 . Первая принадлежала будущему нобелевскому лауреату, а тогда сотруднику Стокгольмского университета П. Крутцену, который посчитал вероятным источником оксидов азота в стратосфере распадающуюся под действием солнечного света закись азота N 2 O естественного происхождения. Автор второй статьи, химик из Калифорнийского университета в Беркли Г.Джонстон предположил, что оксиды азота появляются в стратосфере в результате человеческой деятельности, а именно - при выбросах продуктов сгорания реактивных двигателей высотных самолетов.

Конечно, вышеупомянутые гипотезы возникли не на пустом месте. Соотношение по крайней мере основных компонент в атмосферном воздухе - молекул азота, кислорода, водяного пара и др. - было известно намного раньше. Уже во второй половине XIX в. в Европе производились измерения концентрации озона в приземном воздухе. В 1930-е годы английский ученый С.Чепмен открыл механизм формирования озона в чисто кислородной атмосфере, указав набор взаимодействий атомов и молекул кислорода, а также озона в отсутствие каких-либо других составляющих воздуха. Однако в конце 50-х годов измерения с помощью метеорологических ракет показали, что озона в стратосфере гораздо меньше, чем его должно быть согласно циклу реакций Чепмена. Хотя этот механизм и по сей день остается основополагающим, стало ясно, что существуют какие-то иные процессы, также активно участвующие в формировании атмосферного озона.

Нелишне упомянуть, что знания в области атмосферной химии к началу 70-х годов в основном были получены благодаря усилиям отдельных ученых, чьи исследования не были объединены какой-либо общественно значимой концепцией и носили чаще всего чисто академический характер. Иное дело - работа Джонстона: согласно его расчетам, 500 самолетов, летая по 7 ч в день, могли сократить количество стратосферного озона не меньше чем на 10%! И если бы эти оценки были справедливы, то проблема сразу становилась социально-экономической, так как в этом случае все программы развития сверхзвуковой транспортной авиации и сопутствующей инфраструктуры должны были подвергнуться существенной корректировке, а может быть, и закрытию. К тому же тогда впервые реально встал вопрос о том, что антропогенная деятельность может стать причиной не локального, но глобального катаклизма. Естественно, в сложившейся ситуации теория нуждалась в очень жесткой и в то же время оперативной проверке.

Напомним, что суть вышеупомянутой гипотезы состояла в том, что оксид азота вступает в реакцию с озоном NO + O 3 ® ® NO 2 + O 2 , затем образовавшийся в этой реакции диоксид азота реагирует с атомом кислорода NO 2 + O ® NO + O 2 , тем самым восстанавливая присутствие NO в атмосфере, в то время как молекула озона утрачивается безвозвратно. При этом такая пара реакций, составляющая азотный каталитический цикл разрушения озона, повторяется до тех пор, пока какие-либо химические или физические процессы не приведут к удалению оксидов азота из атмосферы. Так, например, NO 2 окисляется до азотной кислоты HNO 3 , хорошо растворимой в воде, и потому удаляется из атмосферы облаками и осадками. Азотный каталитический цикл весьма эффективен: одна молекула NO за время своего пребывания в атмосфере успевает уничтожить десятки тысяч молекул озона.

Но, как известно, беда не приходит одна. Вскоре специалисты из университетов США - Мичигана (Р.Столярски и Р.Цицероне) и Гарварда (С.Вофси и М. Макэлрой) - обнаружили, что у озона может быть еще более беспощадный враг - соединения хлора. Хлорный каталитический цикл разрушения озона (реакции Cl + O 3 ® ClO + O 2 и ClO + O ® Cl + O 2), по их оценкам, был в несколько раз эффективнее азотного. Сдержанный оптимизм вызывало лишь то, что количество хлора естественного происхождения в атмосфере сравнительно невелико, а значит, суммарный эффект его воздействия на озон может оказаться не слишком сильным. Однако ситуация кардинально изменилась, когда в 1974 г. сотрудники Калифорнийского университета в Ирвине Ш. Роуленд и М. Молина установили, что источником хлора в стратосфере являются хлорфторуглеводородные соединения (ХФУ), массово используемые в холодильных установках, аэрозольных упаковках и т.д. Будучи негорючими, нетоксичными и химически пассивными, эти вещества медленно переносятся восходящими воздушными потоками от земной поверхности в стратосферу, где их молекулы разрушаются солнечным светом, в результате чего выделяются свободные атомы хлора. Промышленное производство ХФУ, начавшееся в 30-е годы, и их выбросы в атмосферу постоянно наращивались во все последующие годы, особенно в 70-е и 80-е. Таким образом, в течение очень короткого промежутка времени теоретики обозначили две проблемы атмосферной химии, обусловленные интенсивным антропогенным загрязнением.

Однако чтобы проверить состоятельность выдвинутых гипотез, необходимо было выполнить немало задач.

Во-первых, расширить лабораторные исследования, в ходе которых можно было бы определить или уточнить скорости протекания фотохимических реакций между различными компонентами атмосферного воздуха. Надо сказать, что существовавшие в то время весьма скудные данные об этих скоростях к тому же имели изрядную (до нескольких сот процентов) погрешность. Кроме того, условия, в которых производились измерения, как правило, мало соответствовали реалиям атмосферы, что серьезно усугубляло ошибку, поскольку интенсивность большинства реакций зависела от температуры, а иногда от давления или плотности атмосферного воздуха.

Во-вторых, усиленно изучать радиационно-оптические свойства ряда малых газов атмосферы в лабораторных условиях. Молекулы значительного числа составляющих атмосферного воздуха разрушаются ультрафиолетовым излучением Солнца (в реакциях фотолиза), среди них не только упомянутые выше ХФУ, но также молекулярный кислород, озон, оксиды азота и многие другие. Поэтому оценки параметров каждой реакции фотолиза были столь же необходимы и важны для правильного воспроизведения атмосферных химических процессов, как и скорости реакций между различными молекулами.

ВОЗДУХ
смесь газов, которая составляет атмосферу Земли, простирающуюся до высоты 1000-1200 км. До высоты ок. 11 км состав атмосферы остается неизменным. Этот слой называется тропосферой. В нем разыгрывается большинство метеорологических процессов, определяющих погоду. Здесь происходит интенсивная циркуляция воздуха, возникают ветры, бури и ураганы, велика турбулентность. В тропосфере сосредоточены почти весь находящийся в атмосфере водяной пар и почти вся воздушная пыль, а потому именно здесь по большей части происходит образование облаков. Над тропосферой, простираясь примерно на 50 км, располагается слой стратосферы. Здесь огромные потоки сравнительно спокойного воздуха циркулируют на больших расстояниях без значительных возмущений. В нижней части стратосферы образуются редкие облака, состоящие из мельчайших ледяных кристалликов. Над стратосферой до высоты ок. 80 км простирается мезосфера - слой, в котором достигается самая низкая в естественных условиях температура воздуха, составляющая примерно -110° C (160 К). Далее до высоты ок. 720 км следует слой термосферы. Здесь молекулы воздуха движутся столь быстро, что если бы плотность воздуха была такой же, как и на уровне моря (а не в миллиарды раз меньшей), то его температура была бы близка к 3000° C. Самый верхний слой атмосферы - экзосфера. В ней воздух крайне разрежен и столкновения молекул друг с другом столь редки, что большинство из них движутся по простым баллистическим траекториям, как пуля, а некоторая их часть - по эллиптическим орбитам, подобно искусственным спутникам Земли. Какая-то доля молекул, в основном водорода и гелия, достигает скоростей, при которых возможен выход за пределы действия сил земного тяготения, и рассеивается в пространстве между Землей и Луной (см. также АТМОСФЕРА). Изо всех разнообразных свойств воздуха важнее всего то, что он необходим для жизни на Земле. Существование людей и животных было бы невозможно без кислорода. Поскольку же для дыхания нужен кислород в разбавленном виде, наличие других газов в воздухе тоже имеет жизненно важное значение.
Состав. На уровне моря и в пределах тропосферы газовый состав воздуха (в об. %) таков: азот - 78,08%, кислород - 20,95%, аргон - 0,93%, углекислый газ (диоксид углерода) - 0,034%, водород - 5 x 10-5 %; кроме того, имеются "следовые" количества так называемых благородных (или инертных, редких) газов: неона - 1,8 x 10-3 %, гелия - 5,24 x 10-4 %, криптона - 1 x 10-4 % и ксенона - 8 x 10-6 %. Воздух в тропосфере содержит также переменные количества водяного пара; его влажность зависит от температурных условий и высоты. В нижних слоях атмосферы во взвешенном состоянии содержатся переменные количества пыли и золы, образующихся, например, в процессах горения и при извержении вулканов. С присутствием в воздухе таких аэрозольных частиц связаны яркие краски солнечных восходов и закатов, обусловленные рассеянием на них солнечных лучей.

РЕКТИФИКАЦИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА

Различные газы, входящие в состав атмосферного воздуха, можно преобразовать в жидкое и даже твердое состояние, если соответственно повысить давление и понизить температуру. Люди нашли для воздуха многочисленные и разнообразные применения. Масштабы применения газовых компонентов атмосферного воздуха в науке и технике, промышленности и быту во много раз расширились после того, как был разработан способ разделения воздушной смеси на отдельные компоненты. Этот способ состоит в том, что воздух сначала преобразуется в жидкое состояние, а затем подвергается дистилляции или ректификации (фракционированию) точно так же, как нефть-сырец разделяется на различные нефтепродукты. Впервые ожижение воздуха успешно осуществили в 1883 З.Вроблевский и К.Ольшевский. Для промышленного применения ректификационного разделения воздуха важны два обстоятельства. Во-первых, газы, входящие в состав воздуха, образуют физическую смесь, а не химическое соединение, и, во-вторых, точки кипения разных компонентов воздуха существенно различаются. Технические средства, созданные с учетом того и другого, обеспечивают практически полное разделение основных компонентов воздуха, причем с высокой степенью чистоты каждого компонента. Процесс разделения воздуха протекает в три этапа: 1) подготовка, или очистка, воздуха, 2) преобразование очищенного воздуха в жидкую фазу (ожижение) и 3) ректификационное разделение жидкой смеси на отдельные газы.

Удаление примесей. Прежде чем воздух поступит на вход ожижительной и ректификационной секций воздухоразделительной установки, из него удаляются все примеси, которые либо взвешены в атмосферном воздухе в виде твердых частиц, либо легко могут превратиться в твердые при понижении температуры. В противном случае неизбежна быстрая закупорка узких каналов оборудования. К таким посторонним примесям относятся водяной пар, пыль, дым и пары других веществ, а также углекислый газ. Основная часть этих примесей задерживается масло- и влагоуловителями, как правило, после компрессорного сжатия. Осушка воздуха после сжатия более предпочтительна, так как в этом случае меньше воды приходится удалять в виде пара, поскольку при сжатии он большей частью превращается в жидкость. Дальнейшая сушка воздуха производится пропусканием его через адсорберы с активированным оксидом алюминия или силикагелем (частично дегидратированным диоксидом кремния). Углекислый газ можно удалять химическим путем за счет реакции с гидроксидом калия (едким кали) или натрия (едким натром). Однако эти химикаты быстро расходуются и требуют частого пополнения. На крупных воздухоразделительных установках используются теплообменные аппараты, в которых удаляются одновременно углекислый газ и водяной пар, а также охлаждается воздух, поступающий на вход системы. Легкозамораживаемые газы оседают в твердом виде на металлических поверхностях теплообменников, которые поддерживаются при очень низких температурах потоком отделенных газов, проходящим по их внутренним каналам. Систему периодически очищают от накопившихся примесей, обращая поток газов в теплообменнике.
Ожижение. Очищенный воздух поступает в секцию ожижения и охлаждается в системе механической рефрижерации, пока основная его часть не превратится в жидкость. В зависимости от давления, до которого воздух был сжат первоначально, его температура здесь снижается до примерно 100 К. Давления цикла находятся в пределах от 0,6 до 20 МПа. При охлаждении используется холод отделенных ранее газов, поступающих из ректификационной секции. В оптимально сконструированном теплообменнике холод отделенных газов практически полностью передается входящему воздуху. На некоторых установках, в частности таких, где часть отделенных газов отбирается в жидком виде, для предварительного охлаждения до примерно -40° С (230 К) предусматриваются теплообменники с фреоном или метилхлоридом. При более низких температурах, необходимых для ожижения воздуха, охлаждающей средой служит либо входящий воздух, либо отделенный азот. Этот газ, сжатый до определенного давления, приводит в движение расширительную машину, или детандер (обращенный компрессор). Расширяясь, газ перемещает поршень, который через коленчатый вал приводит во вращение электрогенератор, выполняющий функцию "тормоза". Поскольку газ при расширении в детандере совершает работу, его теплосодержание и температура понижаются. При первом пуске установки необходимо сначала охладить ее до рабочей температуры, а для этого требуется больше холода, чем в установившемся рабочем режиме (захолаживание установки). Охлаждение можно также осуществлять за счет расширения сжатых газов в газообразной или жидкой фазе при истечении через дроссельный клапан. В этом случае понижение температуры обусловлено эффектом Джоуля - Томсона (дроссель-эффектом). Указанные методы охлаждения основаны на разных термодинамических эффектах, и если ввести их в цикл в правильной последовательности, то можно использовать преимущества каждого из них
(см. также
ТЕПЛОТА ;
ТЕРМОДИНАМИКА ;
ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР).
Секции ожижения и ректификации, работающие при криогенных температурах, требуют хорошей наружной теплоизоляции. Поэтому аппараты названных секций снабжаются кожухами, заполненными такими теплоизолирующими материалами, как минеральная вата, стекловата и пористый вулканический пепел. Конструкционные материалы теплообменников, ректификационных колонн и соединительных трубопроводов выбираются очень тщательно. Углеродистые стали при криогенных температурах становятся хрупкими. Поэтому предпочтение отдается таким материалам, как медь, бронза, латунь, нержавеющая сталь и алюминий, обнаруживающим в криогенных условиях превосходные прочностные характеристики.
Ректификация. Разделение ожиженного воздуха на составляющие производится в вертикальных цилиндрических аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Внутри такой колонны имеется вертикальный ряд горизонтальных "тарелок" с отверстиями, через которые вниз стекает жидкость, а из нижней части колонны поднимается газ, вступая в контакт с жидкостью на тарелках. В установках для выделения с высокой степенью чистоты всех компонентов воздуха предусматривается целый ряд таких колонн. В верхнюю часть каждой колонны вводится жидкость соответствующего состава, а в нижней создаются условия, необходимые для достаточно интенсивного парообразования, так что в колонне происходит постепенное разделение смеси. В условиях нормального атмосферного давления воздух ожижается при температуре около 80 К (-190° C); состав смеси изменяется по сравнению с первоначальным. Если исходный воздух содержит приблизительно 79% азота и 21% кислорода, то в результате естественного кинетического перераспределения в жидкости будет 65% азота и 35% кислорода, а в газе над жидкостью - 87% азота и 13% кислорода. Другие составляющие газы ведут себя точно так же, независимо от соотношения между кислородом и азотом. Как правило, пар над жидкостью обогащен компонентом с более низкой температурой кипения. Соотношение между фазами зависит, конечно, от давления. По мере того как жидкость опускается, а пары поднимаются по ректификационной колонне, концентрации выделяемых компонентов в них повышаются; в конце концов, в нижней части колонны отбирается кислород "товарной" чистоты, в ее верхней части - высококачественный азот, в других точках - аргон и смесь "более редких" газов. Поскольку на воздухоразделительных установках температура, как правило, не опускается ниже точки кипения азота, неон и гелий остаются неожиженными, и их можно несконденсированными выводить в виде смеси с азотом из основной ректификационной колонны. Смеси кислорода с аргоном разделять труднее, чем смеси газов с большой разницей в температурах кипения. На крупных воздухоразделительных установках конденсационно-испарительный процесс для увеличения выхода аргона высокой чистоты дополняется химическим процессом. К смеси кислорода, азота и аргона, отбираемой из криогенной секции системы, добавляется дозированное количество газообразного водорода. Кислород вступает в реакцию с водородом в присутствии палладиевого катализатора, и образуется вода, которая удаляется в осушителях. Остающаяся газообразная смесь аргона и азота вновь охлаждается и направляется на повторную ректификацию. Редкие газы (гелий, неон, криптон и ксенон) окончательно разделяются на комбинированных установках, где конденсационно-испарительный метод сочетается с методом селективной адсорбции. В качестве адсорбента часто применяется активированный уголь, охлажденный до температуры жидкого азота.
Транспортировка и хранение. Кислород, азот и аргон транспортируются и хранятся как в жидком, так и в газообразном виде. Для криогенных жидкостей используются специальные теплоизолированные сосуды. Низкотемпературные газы хранятся под давлением до 17 МПа в стальных баллонах. Редкие газы отпускаются в стеклянных сосудах Дьюара вместимостью 1-2 л; применяются и стальные термосы.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗДЕЛЕННЫХ ГАЗОВ

Вряд ли можно найти какой-либо вид промышленной деятельности, где бы не играл значительную роль тот или иной из разделенных газов воздуха. Ниже отмечаются лишь наиболее важные применения.
Кислород. В металлообработке кислород в сочетании с разными топливными газами (ацетиленом, пропаном, природным газом) применяется для резки и сварки сортовой стали высокотемпературным пламенем. Кислородно-ацетиленовое пламя используется для зачистки металлических поверхностей в целях удаления ржавчины и окалины, а также для пайки твердым припоем многих металлов. В металлургии с помощью кислорода в смеси с топливными газами производится огневая зачистка новой стали для удаления дефектов. Для ускорения процессов выплавки стали кислород в больших количествах расходуется в качестве обезуглероживающего и окислительного агента. В связи со все более широким распространением тугоплавких стекол кислород все шире применяется в технике формования стеклянных изделий. В космических ракетах кислород используется как компонент топлива. Из-за недостатка свободного места в таких летательных аппаратах он хранится в жидком виде, но перед подачей в двигатель преобразуется в газ.
См. также РАКЕТА ; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ .
Азот. Благодаря своей относительной инертности азот особенно подходит для защиты продуктов, портящихся (окисляющихся) под воздействием кислорода. В пищевой промышленности к атмосфере азота часто прибегают как к средству предотвращения контакта с кислородом воздуха, способным привести к порче пищевого продукта или к потере естественного запаха. В химической, нефтяной и лакокрасочной промышленности азотная газовая подушка применяется для сохранения чистоты продукта и для предотвращения возгорания и взрыва в ходе технологической обработки. В электронной промышленности газообразным азотом продувают для вытеснения воздуха баллоны электронных ламп и корпуса полупроводниковых приборов перед их завариванием и герметизацией. Азот применяется для создания контролируемой атмосферы при отжиге и термообработке, для продувки расплавленного алюминия в целях удаления растворенного водорода и для очистки вторичного алюминия (скрапа). В электротехнике часто применяется атмосфера азота повышенного давления для поддержания высокого сопротивления изоляции и для увеличения срока службы изоляционных материалов. Пространство для расширения в маслонаполненных трансформаторах обычно заполняют азотом. Жидкий азот широко применяется для охлаждения как в промышленности, так и в научных исследованиях, в частности в экологических тестах.
См. также АЗОТ .
Аргон. В отличие от азота, который может вступать в реакцию с некоторыми металлами при повышенных температурах, аргон совершенно инертен при любых условиях. Поэтому он применяется для создания защитной атмосферы в производстве таких химически активных металлов, как титан и цирконий. Он служит также защитной средой при дуговой сварке трудносвариваемых металлов и сплавов - алюминия, бронзы, меди, монель-металла и нержавеющих сталей. Аргон хорошо подходит для заполнения (с добавкой азота) ламп накаливания. Обладая низкой теплопроводностью, аргон допускает более высокие температуры нити, что повышает световую отдачу лампы, а его значительная молекулярная масса затрудняет испарение металла из раскаленной вольфрамовой нити. В результате увеличивается срок службы лампы. Аргоном, чистым или в смеси с другими газами, заполняют также люминесцентные лампы, как осветительные (с термокатодом), так и рекламные (с холодным катодом). Кроме того, он применяется в производстве высокочистых полупроводниковых материалов (германия и кремния) для изготовления транзисторов. См. также ТРАНЗИСТОР .
Неон, криптон и ксенон. Все эти три газа обладают повышенной способностью к ионизации, т.е. они становятся электропроводящими при значительно меньших напряжениях, чем большинство других газов. Будучи ионизованы, эти газы, так же как аргон и гелий, испускают яркий свет, каждый своего цвета, а потому используются в лампах для рекламного освещения. В электронной промышленности эти редкие газы применяются для заполнения особых видов электронных ламп - стабилитронов, стартеров, фотоэлементов, тиратронов, ультрафиолетовых стерилизационных ламп и счетчиков Гейгера. В атомной промышленности ими наполняют ионизационные и пузырьковые камеры и другие устройства для исследования субатомных частиц и измерения интенсивности проникающего излучения.
Водород, гелий и углекислый газ. Эти газы в больших количествах производятся другими методами, при которых их производство обходится дешевле. Поэтому после выделения в процессе ректификационного разделения воздуха их обычно выпускают в атмосферу. См. также ВОДОРОД .

СЖАТЫЙ ВОЗДУХ

Энергию сжатого воздуха можно использовать для совершения механической работы, создания воздушного потока или воздушной подушки. Сжатый воздух легко транспортируется по трубам и шлангам, так что им можно пользоваться на значительном удалении от источника (компрессора или резервуара высокого давления) без больших потерь энергии в линии передачи.
Применение. Сжатый воздух применяется в пневматических двигателях, которые приводят в движение дрели, ручные шлифовальные и другие пневматические инструменты, в бурильных и отбойных молотках и в воздушных турбинах торпед. Воздушный поток, создаваемый сжатым воздухом, используется для транспортировки по аэрожелобам зерна, угольной пыли и других порошкообразных материалов. С помощью сжатого воздуха вентилируют шахты, здания, другие закрытые помещения, перемешивают жидкости, барботируя их в чанах, создают принудительную тягу в доменных и других печах. Сжатый воздух используется для уравновешения давления воды в водолазных костюмах, для накачки пневматических шин, для приведения в действие тормозов в поездах, для дистанционного воздействия на устройства управления технологическим оборудованием. Всего можно насчитать более 200 различных видов применения сжатого воздуха. Начало применению энергии сжатого воздуха в широких масштабах было положено в 1861, когда М. Соммейе сконструировал водно-поршневой компрессор с приводом от водяного колеса. Сжатый воздух подводился к бурильным молоткам на строительстве туннеля Мон-Сени в Альпах. Ранее вместо этого использовался пар, но отработанный пар создавал невыносимые условия для работающих в туннеле. Преимущества пневмопривода, особенно при проведении подземных горных работ, стали очевидны, и началось быстрое развитие пневмотехники.
Компрессоры. Для подачи воздуха под давлением был разработан поршневой компрессор. Поршень в таком компрессоре приводится в движение первичным двигателем. В такте всасывания воздух втягивается через входной клапан, а при обратном ходе поршня сжимается и выталкивается через другой клапан. Пружинные тарельчатые клапаны работают без механизма внешнего управления. В компрессоре одинарного действия сжатие осуществляется только по одну сторону поршня, а в компрессоре двойного действия для сжатия используются оба конца цилиндра. При сжатии воздуха его температура повышается. Такое нагревание нежелательно, поскольку ухудшаются условия работы поршня. Кроме того, если отводить тепло, выделяющееся при сжатии, то требуется меньше работы для сжатия. Поэтому компрессоры обычно имеют водяное или воздушное охлаждение. При давлениях нагнетания выше 0,4 МПа сжатие осуществляется ступенями. Два или несколько цилиндров соединяют так, что воздух с выхода одной ступени поступает на вход другой, и полное давление нагнетания достигается лишь на выходе последней. Между ступенями предусматриваются теплобменники, понижающие температуру воздуха. Шестиступенчатые компрессоры такого типа способны подавать сжатый воздух под давлением до 100 МПа. Объемные ротационные компрессоры бывают двух типов - пластинчатые и двухроторные. Пластинчатый компрессор устроен так же, как и пластинчатый пневмодвигатель (см. ниже), только ротор вращается в противоположном направлении. В двухроторном компрессоре воздух захватывается в пространстве между роторами и стенкой корпуса и вытесняется зацеплением роторов. Центробежные воздуходувки и компрессоры - это машины ротационного типа, подобные центробежным насосам. Энергия воздуха увеличивается благодаря центробежному действию вращающихся рабочих колес. Воздуходувками называют машины, сжимающие воздух до давления не более 0,3 МПа (изб.), а компрессорами - до давлений, превышающих эту величину. Для повышения давления те и другие делают многоступенчатыми. На одном валу располагают несколько рабочих колес, и воздух, переходя с одной ступени на другую, последовательно сжимается.
Пневмодвигатели. Пневмодвигателем называется машина, преобразующая в механическую работу энергию сжатого воздуха. Пневмодвигатели бывают поршневые, пластинчатые ротационные и турбинные. Сжатие воздуха производится вне двигателя, например в компрессоре.

Поршневые пневмодвигатели. Поршневой пневмодвигатель сходен с паровой машиной. Сжатый воздух поступает в клапанную коробку, и клапан, срабатывая, впускает порцию воздуха в цилиндр. Под давлением воздуха поршень совершает полезную работу через кривошипный или другой механизм, после чего отработанный воздух выпускается в атмосферу. Пневмоцикл может быть без расширения и с расширением.
Пластинчатые ротационные пневмодвигатели. Ротор такого двигателя смещен относительно осевой линии неподвижного корпуса. Прямоугольные пластины (или лопасти), установленные в радиальных пазах ротора, прижимаются к внутренней стенке корпуса. Сжатый воздух поступает в цилиндрический корпус через отверстие в стенке и заполняет "камеру", образуемую стенкой ротора, стенкой корпуса и одной из пластин. Под давлением воздуха пластина вместе с ротором поворачивается, а следующая пластина, проходя мимо отверстия, прерывает поступление воздуха в данную камеру и открывает ему доступ в следующую. Захваченный воздух расширяется, отдавая часть своей энергии, пока не достигается полный объем камеры. После этого открывается выпускное отверстие, и порция отработанного воздуха выходит наружу.
Турбинные пневмодвигатели. В воздушной турбине энергия давления сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения при расширении воздуха в соплах. Высокоскоростная воздушная струя ударяется о лопатки ротора, действует на него с тангенциальной силой и заставляет вращаться (воздушные турбины сходны с паровыми).

Воздух необходим всем живым организмам: животным для дыхания, а растениям - для питания. К тому же воздух защищает Землю от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Основные составляющие воздуха - азот и кислород. В воздухе есть также небольшие примеси благородных газов, углекислого газа и некоторое количество твердых частиц - копоти, пыли. Воздух нужен всем животным для дыхания. Около 21% воздуха составляет кислород. Молекула кислорода (О 2) состоит из двух связанных кислорода.

Состав воздуха

Процентное соотношение различных га­зов в воздухе слегка изменяется в зависимости от места, времени года и суток. Азот и кислород - основные компоненты воздуха. Один процент воздуха составляют благородные газы, углекислой газ, водяной пар и загрязнения, например диоксид азота. Входящие в состав воздуха газы можно разделить путем фракционной перегонки . Воздух охлаждается до тех пор, пока газы не перейдут в жидкое состояние (см. статью « «). Пос­ле этого жидкая смесь нагревается. кипения у каждой жидкости своя, и образующиеся при кипении газы можно собирать от­дельно. Кислород, азот и углекислый газ постоянно по­падают из воздуха в и возвращают­ся в воздух, т.е. происходит круговорот. Животные вдыхают кислород воздуха и выдыхают углекислый газ.

Кислород

Азот

Более 78% воздуха составляет азот. Бел­ки, из которых построены живые организ­мы, также содержат азот. Главное промышленное применение азота - производство аммиака , необходимого для удобрений. Азот для этого соединяют с . Азот накачивается в упаковки для мяса или рыбы, т.к. при контакте с обычным воздухом продукты окисляются и портятся Предназначенные для пересадки человеческие органы хранятся в жидком азоте, потому что он холодный и химически инертный. Молекула азота (N 2) состоит из двух связанных атомов азота.

Благородные газы

Благородные газы - это 6 8-й группы . Они чрезвычайно инертны химически. Только они существуют в виде от­дельных атомов, не образующих молекулы. Из-за их пассивности некоторыми из них наполняют лампы. Ксенон практически не используется человеком, зато аргон накачивают в электролампочки, а крип­тоном наполняют люминесцентные лампы. Неон вспыхивает красно-оранжевым светом при прохождении электрического разряда. Он используется в натриевых уличных лампах и неоновых лампах. Радон радиоактивен. Он образуется в результате распада металла радия. Никакие соединения гелия науке неизвестны, и гелий считается абсолютно инертным. Его плотность в 7 раз меньше плотности воздуха, поэтому им наполняют дирижабли. Наполненные гелием воздушные шары оснащаются научной аппаратурой и запускаются в верхние слои атмосферы.

Парниковый эффект

Так называется наблюдающееся сейчас повышение содержания углекислого газа в атмосфере и вызванное этим глобальное потепление , т.е. повышение среднегодовых температур во всем мире. Углекислый газ не дает теплу покидать Землю, так же как стекло сохраняет высокую температуру внутри парника. Поскольку углекислого газа в воздухе становится все больше, все больше тепла задерживается в атмосфере. Даже небольшое потепление вызывает повышение уровня Мирового океана, перемену ветров и таяние части льда у полюсов. Ученые считают, что если содержание углекислого газа будет расти так же быстро, то за 50 лет средняя темпера­тура может возрасти на величину от 1,5°С до 4°С.

Воздух - важнейшая субстанция, без доступа к которой человек не проживет и нескольких минут. Все мы понимаем, насколько важен для нас воздух, однако знаем ли мы, какой он?

К сожалению, знания большинства из нас в данном вопросе очень ограничены. Давайте исправлять ситуацию.

Воздух по-научному

Строго говоря, воздух - это естественная смесь газов, которая образует атмосферу Земли. Главным компонентом воздуха, определяющим его важнейшую роль в жизнедеятельности живых организмов, является кислород. Кислород используется в окислительных процессах, в результате которых выделяется необходимая для жизни энергия.

Химический состав воздуха

Шотландский ученый Джозеф Блэк в 1754 году с помощью ряда опытов продемонстрировал, что воздух - это не однородное вещество, а смесь газов. Химический состав воздуха был определен французским ученым Антуаном Лавуазье. И вот из чего состоит наша земная оболочка:

• азот - 78%;
• кислород - 21%;
• прочие газы (углекислый газ, аргон, неон, метан, гелий, криптон, водород, ксенон) - 1%.

Кстати сказать, воздух не всегда был таковым - 4 миллиарда лет назад, на заре зарождения нашей планеты, воздух, главным образом, представлял собой углекислый газ. Стоит ли говорить, что жизнь в таких условиях развиваться просто не могла. Постепенно углекислый газ вступал в различные реакции (растворялся в воде, реагировал с горными породами), и его содержание в воздухе сокращалось.

Когда появились зеленые растения, которые, как известно, активно поглощают углекислый газ и используют его в процессе жизнедеятельности, содержание его в атмосфере начало сокращаться значительно быстрее, пока, наконец, не сформировался финальный состав.

Справедливости ради стоит отметить, что этот самый финальный состав 78%/21%/1% варьируется в зависимости от места: в лесах наблюдается минимальный состав примесей, а в крупных городах, напротив, максимальный. Кроме того, в разных частях света содержание того или иного газа может варьироваться в пределах 3% для каждого.

Физические свойства

К основным физическим свойствам воздуха относят его температуру, влажность и атмосферное давление. Каждое из этих свойств особенным образом влияет на состояние среды и человека.

Температура воздуха

Температура воздуха определяет тепловое состояние внешней среды, то есть теплообмен. Повышенные и пониженные температуры отрицательно влияют на теплообмен.

При повышенной температуре (более 35 градусов Цельсия) организм избавляется от излишнего тепла, главным образом, с помощью потоотделения. Вместе с потом из организма выводятся соли и водорастворимые витамины, что приводит к массе негативных эффектов, в частности - к повышению вязкости крови, затруднениям работы сердца и т.д. Чрезмерный перегрев организма может привести к тепловому удару.

При пониженных температурах организм испытывает дефицит тепла. Общее охлаждение сопровождается ослаблением мышечной деятельности, местное способствует развитию простудных заболеваний.

Влажность воздуха

Влажность воздуха характеризует содержанием водяных паров в воздухе. Чрезмерно сухой воздух негативно влияет на слизистую оболочку верхних дыхательных путей, вызывая воспаления и трещины.

Атмосферное давление

Смена атмосферного давления особенно остро ощущается в зрелом возрасте, а резкие перепады давления вызывают негативные последствия и в молодом организме.

Пониженное атмосферное давление приводит к гипоксии (кислородное голодание), что, в свою очередь, провоцирует головные боли, нарушения координации движений, сонливость и т.д.

Среди негативных последствий повышенного атмосферного давления - учащение пульса, дыхания, повышение максимального и понижения минимального артериального давления и т.д.

Важный итог

Как видите, воздух и то, какой он - сухой или влажный, горячий или холодный - играет важнейшую роль. Таким образом, воздух не только необходим для жизнедеятельности живых организмов, он еще и определяет качество этой самой жизнедеятельности.

Больше о самой важной для нас субстанции читайте в статьях.

Та часть атмосферы, которая прилегает к Земле и которой соответственно дышит человек, называется тропосферой. Тропосфера имеет высоту от девяти до одиннадцати километров и представляет собой механическую смесь разнообразных газов.

Состав воздуха не обладает постоянством. В зависимости от географического положения, местности, погодных условий, воздух может иметь различный состав и различные свойства. Воздух может быть загазованным или разряженным, свежим или тяжелым - все это означает, что в нем имеют определенные примеси.

Азот - 78,9 процента;

Кислород - 20,95 процента;

Двуокись углерода - 0,3 процента.

Кроме того, в атмосфере присутствуют другие газы (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, водород, радон, озон), а также и Сумма их составляет чуть меньше одного процента.

Также стоит указать на наличие в воздухе некоторых постоянных примесей природного происхождения, в частности, некоторых газообразных продуктов, которые образуются в результате как биологических, так и химических процессов. Специального упоминания среди них заслуживает аммиак (состав воздуха вдали от населенных мест включает в себя порядка трех-пяти тысячных миллиграмма на кубический метр), метан (его уровень равен в среднем двум десятитысячным миллиграмма на кубический метр), окислы азота (в атмосфере их концентрация достигает приблизительно пятнадцать десятитысячных миллиграмма на метр кубический), сероводорода и других газообразных продуктов.

Помимо парообразных и газообразных примесей, химический состав воздуха обычно включает в себя пыль космического происхождения, которая выпадает на поверхность Земли в количестве семи стотысячных тонны на квадратный километр в течение года, а также пылевые частицы, которые поступают при извержениях вулканов.

Однако в наибольшей степени изменяет (причем не в лучшую сторону) состав воздуха и загрязняет тропосферу так называемая наземная (растительная, почвенная) пыль и дым лесных пожаров. Особенно много такой пыли в континентальных воздушных массах, берущих свое начало в пустынях Центральной Азии и Африки. Именно поэтому с уверенностью можно заявить, что идеально чистой воздушной среды попросту не существует, и она является понятием, существующим только теоретически.

Состав воздуха имеет свойство постоянно изменяться, причем его естественные изменения обычно играют достаточно небольшую роль, особенно в сравнении с возможными последствиями его искусственных нарушений. Такие нарушения преимущественно связаны с производственной деятельностью человечества, использованием устройств для бытового обслуживания, а также транспортными средствами. Эти нарушения способны приводить в том числе и к денатурации воздуха, то есть к ярко выраженным отличиям ее состава и свойств от соответствующих показателей атмосферы.

Эти и многие другие виды человеческой деятельности привели к тому, что основной состав воздуха начал подвергаться медленным и незначительным, но тем не менее абсолютно необратимым изменениям. Например, ученые подсчитали, что за последние пятьдесят лет человечеством было использовано примерно столько же кислорода, сколько за предшествующий миллион лет, а в процентном соотношении - две десятых процента от его общего запаса в атмосфере. При этом соответственно повышается выброс в воздушную Этот выброс по последним данным достиг почти четырех сотен миллиардов тонн за последние сто лет.

Таким образом, состав воздуха меняется в худшую сторону, и сложно предположить, каким он станет уже через несколько десятков лет.