27

Воздух. Кислород.

Воздух.

Сами того не замечая, мы живём на дне огромного воздушного океана. Та смесь газов, которая образует атмосферу, необходима для нас более, чем что-либо другое. Человек может прожить несколько недель без пищи, несколько дней без воды, но не может прожить и нескольких минут без воздуха. В воздухе таятся огромные, пока почти неиспользованные запасы энергии: вследствие неодинакового поглощения солнечных лучей различными участками земной поверхности создаётся неравномерный нагрев воздуха и возникают ветры, за счёт которых могут быть получены многие миллиарды киловатт-часов электроэнергии.

Общая масса атмосферы равна 5,2·10¹⁵ т, т.е. составляет менее одной миллионной от массы всего земного шара (6,0·10²¹ т). Однако на долю каждого человека всё же приходится более 1,5 млн. т воздуха. Около 90% массы атмосферы заключено в слое высотой до 16 км и лишь одна миллионная — выше 100 км.

В древности воздух считался индивидуальным веществом. По учению греческого философа Анаксимена, воздух является началом всего сущего, а позднее он стал рассматриваться в качестве одного из основных элементов природы. То обстоятельство, что воздух имеет массу, было известно уже Аристотелю.

Александрийский учёный Герон (62-150 гг. н.э.) писал о воздухе следующее: “Сосуды, которые кажутся большинству людей пустыми, на самом деле не пусты, а наполнены воздухом... Воздух образован частицами маленькими и лёгкими, в своём большинстве невидимыми... Отсюда должно быть принято, что воздух материален. Приведённый в движение, он становится ветром (так как ветер есть не что иное, как воздух в движении)”.

Первые указания на сложность состава воздуха в сочинениях древних китайских химиков. Из европейцев такое мнение впервые высказал Леонардо да Винчи (конец XV века). Оно было подтверждено опытным путём и стало общепринятым лишь около XVIII века.

Сила ветра измеряется специальными приборами (анемометрами) и обычно оценивается по 12-бальной шкале. Тихий ветер (1) лишь отклоняет дым из трубы, при сильном (6) качаются верхушки деревьев, а ураган (12) причиняет большие разрушения.

Состав воздуха: основные составные части можно подразделить на три группы: постоянные, переменные и случайные. К первым относятся кислород (около 21% по объёму), азот (около 78%) и так называемые инертные газы (около 1%). Содержание этих составных частей практически не зависит от того, в каком месте земного шара взята проба сухого воздуха. Ко второй группе относятся углекислый газ (0,02-0,04%) и водяной пар (до 3%). Содержание случайных составных частей зависит от местных условий: вблизи металлургических заводов к воздуху часто бывают примешаны заметные количества сернистого газа, в местах, где происходит распад органических остатков, — аммиака и т.д. Помимо различных газов, воздух всегда содержит большее или меньшее количество пыли.

Кроме перечисленных газов воздух постоянно содержат следы (т.е. ничтожные количества) озона, водорода, метана, аммиака, оксидов азота и угарного газа. По мере совершенствования методов газового анализа число таких, практически незаметных составных частей воздуха постепенно возрастает.

Атмосферная пыль содержит частицы диаметром от 10^-7 до 10^-2 см (из которых наиболее мелкие не оседают даже в неподвижном воздухе). Помимо пылинок, возникающих на земной поверхности (частиц почвы, дыма, пыльцы растений и т.д.), некоторое значение имеют пылинки вулканического и даже космического происхождения. Подсчитано, что на Земле ежегодно оседает около 5 млн. т космической пыли. Так как поверхность Земли равна 510 млн. км², это составляет лишь сотую долю грамма на квадратный метр.

Абсолютная запылённость воздуха может быть в отдельных местах очень различной. Его относительная запылённость быстро уменьшается с высотой.

Кубический сантиметр комнатного воздуха обычно содержит миллионы пылинок.

Общая запылённость воздуха, по-видимому, возрастает. Так, было установлено, что за десятилетие с 1957 по 1967 г. помутнение атмосферы над Тихим океаном увеличилось на 30%. Количество пыли, выпадающей в большом городе, огромно. Было подсчитано, что на каждый м² в Нью-Йорке ежемесячно выпадает до 17 г пыли, а в Токио — даже вдвое больше. Каждый кубический сантиметр воздуха городов содержит несколько тысяч микроорганизмов.

Освобождение от пыли является первой стадией получения кондиционированного воздуха, который, помимо чистоты, характеризуется постоянными температурой и влажностью. Кондиционирование воздуха важно для некоторых отраслей промышленности, а также картинных галерей, музеев и т.д.

Находящийся над Землёй воздух давит на неё с силой более одного килограмма на каждый квадратный сантиметр поверхности. Эту величину легко подсчитать, зная, что нормальное атмосферное давление уравновешивается столбом ртути (плотность 13,6 г/см³) высотой 760 мм. Общее давление атмосферы может быть разложено на давления отдельных составляющих её газов — в этом случае говорят об их парциальных (частичных) давлениях. Например, из общей величины в 760 мм рт. ст. на долю кислорода приходится 760·21/100 = 160 мм рт. ст. Вся жизнь на земной поверхности развивалась в условиях давления атмосферы, поэтому мы не замечаем его, подобно тому как глубоководные рыбы не замечают колоссальных давлений на больших глубинах океана, тогда как на глубине 11 км давление превышает 1000 атм. Среднее атмосферное давление в зависимости от высоты над уровнем моря имеет следующие значения:

Соотношение между постоянными составными частями воздуха в нижних слоях атмосферы с высотой почти не меняется.

Налагаемая атмосферным давлением на живые организмы нагрузка гораздо значительнее, чем это представляется с первого взгляда. Общая поверхность человеческого тела составляет в среднем около 20 тыс. см². Это значит, что человек незаметно для себя испытывает постоянную нагрузку в размере примерно 20 т.

Непосредственно примыкающий к поверхности Земли слой атмосферы характеризуется довольно закономерным изменением температуры — последняя понижается примерно на 6 град с каждым километром высоты. Слой этот — тропосфера — простирается на высоту около 18 км у экватора и 7 км у полюсов. Между ним и Землёй существует известная разность потенциалов, причём тропосфера заряжена положительно, а земная поверхность отрицательно. Основное значение для поддержания разности потенциалов имеет постоянное поступление в атмосферу множества мельчайших капелек морской воды, срываемых с гребней океанских волн и приобретающих при этом значительный положительный заряд.

Более высокие слои атмосферы принято делить на стратосферу (приблизительно до 40 км), мезосферу (40-80 км), термосферу (80-800 км) и экзосферу (выше 800 км). Границы между этими слоями не являются чёткими и несколько изменяются в зависимости от широты местности, времени года и общего состояния атмосферы. Верхняя граница того или иного слоя носит название соответствующей “паузы”. Так, граница между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой. На высотах порядка нескольких тысяч километров экзосфера постепенно переходит в межпланетный газ.

Помимо приведённой выше общей классификации атмосферных слоёв, для некоторых из них применяются другие названия. Так, слой высотой 30-80 км, в котором преимущественно протекают химические реакции под действием солнечных лучей, иногда называют хемосферой, слой выше 80 км, характеризующийся большим относительным содержанием заряженных частиц — ионосферой. Под “верхней атмосферой” в различных случаях понимают разные слои атмосферы.

Основной химический состав атмосферы примерно до 1000 км остаётся азотно-кислородным. В противоположность монотонно уменьшающемуся давлению, температурная кривая имеет минимум на высоте около 20 км, максимум около 50 км и новый минимум в мезопаузе. После этого температура начинает расти, достигая примерно 900 °С уже на высоте 200 км.

Общий характер высотного изменения температуры воздуха был предугадан Аристотелем. Он делил атмосферу на три слоя, из которых прилегающий к Земле пригоден для жизни, следующий сильно охлаждён, а самый верхний, наоборот, сильно нагрет. Средний молекулярный вес воздуха 29.

При достаточном охлаждении воздух переходит в жидкое состояние. Жидкий воздух можно довольно долго сохранять в сосудах с двойными стенками, из пространства между которыми для уменьшения теплопередачи выкачан воздух. Подобные сосуды используются, например, в термосах.

Свободно испаряющийся при обычных условиях жидкий воздух имеет температуру около –190 °С. Состав его непостоянен, так как азот улетучивается быстрее кислорода. По мере удаления азота цвет жидкого воздуха изменяется от голубоватого до бледно-синего (цвет жидкого кислорода).

До ХIX века считали, что газы являются таковыми по самой своей природе, и вопрос о их сжижении даже не возникал. Лишь в 20-х годах ХIХ века, применяя значительные давления, удалось получить в жидком состоянии хлор, аммиак, диоксид углерода и ряд других веществ “газообразной природы”. Однако оставались ещё многие, в частности основные газы воздуха — кислород и азот, которые, несмотря на все усилия, не сжимались. На них перенесли то представление, которое раньше было общим, и стали считать их “постоянными” газами. Только в 1877 г. впервые удалось получить в жидком состоянии одни из этих “постоянных” газов — кислород. Вслед за тем были сжиженны и все другие.

Причина неудач ранних попыток сжижения газов лежала в том, что ещё неясна была сущность различия между газообразным и жидким состоянием вещества. Мы знаем теперь, что в обоих случаях имеет место и взаимное притяжение молекул, и их взаимное расталкивание. Жидкое состояние вещества характеризуется преобладанием первого, газообразное — второго. Взаимное притяжение молекул практически не зависит от температуры. Напротив, обусловленное их ударами друг о друга взаимное расталкивание весьма сильно зависит от температуры, так как её величина определяет скорость движения молекул и их кинетическую энергию. Газ может быть переведён в жидкое состояние лишь тогда, когда стяжение получает преобладание над расталкиванием или, по крайней мере, становится равным ему. Та температура, при которой расталкивание уравновешивается притяжением, характеризуется отсутствием различия между жидкостью и её паром и называется критической. Существование такой температуры было впервые установлено Д. И. Менделеевым (1961 г.).

Критическая температура различна для различных веществ и, например, для хлора равна +144 °С. Поэтому, применив достаточное давление, хлор можно перевести в жидкое состояние и без его охлаждения. Критические температуры основных газов воздуха лежат, наоборот, очень низко: кислорода при –118 °С и азота при –147 °С. Поэтому воздух можно перевести в жидкое состояние, лишь охладив его предварительно ниже указанных температур. Между тем исследователи раннего периода пытались получить жидкий воздух, применяя высокие давления, но не заботясь о достаточном охлаждении.

Наиболее простое экспериментальное определение критической температуры жидкостей производят следующим образом. В толстостенной стеклянной трубке запаивают небольшое количество исследуемого вещества. На границе раздела жидкости и её пара образуется мениск. При постепенном нагревании трубки в ней всё время увеличивается давление, поэтому жидкость целиком не испаряется и мениск отчётливо виден. Вблизи критической температуры он становится всё более плоским и, наконец, исчезает. Та температура, при которой происходит исчезновение мениска (т.е. поверхности раздела двух фаз), и является критической температурой исследуемого вещества.

Схема получения жидкого воздуха заключается в том, что предварительно освобождённый от пыли, влаги и углекислого газа воздух сжимается компрессором до 200-250 атм (при одновременном охлаждении водой), проходит первый теплообменник и затем разделяется на два потока. Большая часть направляется в детандер — поршневую машину, работающую за счёт расширения воздуха. Последний, значительно охладившись в детандере, омывает оба теплообменника и, охладив текущий навстречу сжатый воздух, покидает установку. Другой поток сжатого воздуха, охлаждённый ещё более во втором теплообменнике направляется в расширительную камеру, после чего покидает установку вместе с воздухом из детандера. Вскоре наступает момент, когда в расширительной камере достигается температура сжижения, и затем он уже непрерывно получается в жидком состоянии.

В 1938 г. П.Л. Капицей был разработан метод получения жидкого воздуха при низком давлении — всего 5-6 атм.

По мере испарения азота жидкий воздух обогащается кислородом, причём температура его кипения постепенно повышается. Одновременно возрастает и плотность жидкого воздуха (приблизительно 0,94 г/см³ для нормального состава). Температура его затвердевания также зависит от состава, причём наинизшая она (– 223 °С) при содержании 78% кислорода.