روی یک موضوع خاص تمرکز کنید
"سنگین تر" از هوای خشک؟
آیا حجم هوای گرم و مرطوب بیشتر از حجم مشابه هوای گرم و خشک وزن دارد؟ پاسخ منفی است! در همان دما و در یک سطح، هوای مرطوب وزن کمتری نسبت به هوای خشک دارد. (به خاطر داشته باشید که منظور ما دقیقاً بخار آب است - یک گاز - و نه قطرات مایع معلق).
تقریباً تمام وزن یک اتم در هسته آن متمرکز است، جایی که پروتون ها و نوترون ها در آن یافت می شوند. وزن نوترون ها تقریباً برابر با پروتون ها است. برای اینکه بفهمیم یک اتم چقدر سنگین است، به سادگی تعداد پروتون ها و نوترون های هسته را جمع می کنیم. (الکترون ها به قدری سبک هستند که در مقایسه وزن ها آنها را نادیده می گیریم.) هر چه این کل بزرگتر باشد، اتم سنگین تر است. اکنون می توانیم وزن یک اتم را با وزن اتم دیگر مقایسه کنیم. به عنوان مثال، هیدروژن، سبک ترین اتم شناخته شده، تنها 1 پروتون در مرکز خود دارد (بدون نوترون). بنابراین وزن اتمی آن 1 است. نیتروژن با 7 پروتون و 7 نوترون در هسته خود، وزن اتمی آن 14 است. اکسیژن با 8 پروتون و 8 نوترون، وزن 16 دارد.
وزن یک مولکول مجموع وزن اتمی اتم های آن است. به عنوان مثال، اکسیژن مولکولی، با دو اتم اکسیژن (O2)، دارای وزن مولکولی 32 است. فراوان ترین گاز اتمسفر، نیتروژن مولکولی (N2)، دارای وزن مولکولی 28 است.
وقتی وزن هوا را تعیین می کنیم، با وزن یک مخلوط سروکار داریم. همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید، وزن مخلوط کمی پیچیده تر است. ما نمیتوانیم فقط وزن تمام اتمها و مولکولهای آن را اضافه کنیم، زیرا ممکن است این مخلوط بیشتر از یک نوع باشد. برای مثال هوا دارای نیتروژن بسیار بیشتری (78 درصد) نسبت به اکسیژن (21 درصد) است. ما این کار را با ضرب وزن مولکول در سهم آن در مخلوط مجاز می کنیم. از آنجایی که هوای خشک اساساً از N2 و O2 (99 درصد) تشکیل شده است، ما سایر بخشهای هوا را برای میانگین تقریبی نشان داده شده در جدول 2 نادیده میگیریم.
نماد ≈ به معنای «تقریباً برابر است». بنابراین، هوای خشک دارای وزن مولکولی حدود 29 است. چگونه این وزن با هوای مرطوب مقایسه می شود؟
بخار آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن (H2O) تشکیل شده است. این گاز نامرئی است، همانطور که اکسیژن و نیتروژن نامرئی هستند. وزن مولکولی دارد. دو اتم هیدروژن (هر کدام با وزن اتمی 1) و یک اتم اکسیژن (وزن اتمی 16) به بخار آب وزن مولکولی 18 می دهند.
فرض کنید حجم معینی از هوای کاملا خشک را برداریم و آن را وزن کنیم، سپس دقیقاً همان مقدار بخار آب را در همان دما برداریم و وزن کنیم. متوجه خواهیم شد که هوای خشک کمی بیشتر وزن دارد. اگر مولکولهای هوای خشک را یک به یک با مولکولهای بخار آب جایگزین کنیم، تعداد کل مولکولها ثابت میماند، اما وزن کل هوای خشکتر کاهش مییابد. از آنجایی که چگالی جرم در واحد حجم است، هوای گرم و مرطوب در سطح چگالی کمتری (سبک تر) نسبت به هوای خشک گرم دارد.
این واقعیت می تواند تأثیر مهمی بر آب و هوای ما داشته باشد. هر چه هوا سبک تر شود، احتمال افزایش آن بیشتر می شود. همه عوامل دیگر برابر هستند، هوای گرم و مرطوب (با چگالی کمتر) راحت تر از هوای گرم و خشک (با چگالی تر) بالا می رود. البته این بخار آب در هوای بالارونده است که به قطرات ابر مایع و کریستالهای یخ تبدیل میشود، که به نوبه خود به اندازهای بزرگ میشوند که به صورت بارش به زمین میریزند (● شکل 2 را ببینید).
اهمیت کمتری برای آب و هوا، اما اهمیت بیشتر برای ورزش، این واقعیت است که توپ بیسبال در هوای کمتراکمتر، دورتر را میبرد. در نتیجه، بدون تأثیر باد، یک توپ در یک روز گرم و مرطوب کمی دورتر از یک روز گرم و خشک حرکت می کند. بنابراین هنگامی که گوینده ورزشی اعلام می کند "هوای امروز به دلیل رطوبت زیاد سنگین است" به یاد داشته باشید که این گفته درست نیست و در واقع، یک دویدن خانگی 404 فوتی در این روز مرطوب ممکن است به سادگی 400 فوت در بیرون باشد. روز بسیار خشک
● شکل 2 در این بعدازظهر تابستانی در مریلند، هوای سبک تر (با چگالی کمتر) گرم و مرطوب بالا می رود و متراکم می شود و تبدیل به cumS بلند می شود.
FOCUS ON A SPECIAL TOPIC
“Heavier” Than Dry Air?
Does a volume of hot, humid air weigh more than a similar size volume of hot, dry air? The answer is no! At the same temperature and at the same level, humid air weighs less than dry air. (Keep in mind that we are referring strictly to water vapor—a gas—and not suspended liquid droplets.) To understand why, we must first see what determines the weight of atoms and molecules.
Almost all of the weight of an atom is concentrated in its nucleus, where the protons and neutrons are found. Neutrons weigh nearly the same as protons. To get some idea of how heavy an atom is, we simply add up the number of protons and neutrons in the nucleus. (Electrons are so light that we ignore them in comparing weights.) The larger this total, the heavier the atom. Now, we can compare one atom’s weight with another’s. For example, hydrogen, the lightest known atom, has only 1 proton in its center (no neutrons). Thus, it has an atomic weight of 1. Nitrogen, with 7 protons and 7 neutrons in its nucleus, has an atomic weight of 14. Oxygen, with 8 protons and 8 neutrons, weighs in at 16.
A molecule’s weight is the sum of the atomic weights of its atoms. For example, molecular oxygen, with two oxygen atoms (O2), has a molecular weight of 32. The most abundant atmospheric gas, molecular nitrogen (N2), has a molecular weight of 28.
When we determine the weight of air, we are dealing with the weight of a mixture. As you might expect, a mixture’s weight is a little more complex. We cannot just add the weights of all its atoms and molecules because the mixture might contain more of one kind than another. Air, for example, has far more nitrogen (78 percent) than oxygen (21 percent). We allow for this by multiplying the molecule’s weight by its share in the mixture. Since dry air is essentially composed of N2 and O2 (99 percent), we ignore the other parts of air for the rough average shown in Table 2.
The symbol ≈ means “is approximately equal to.” Therefore, dry air has a molecular weight of about 29. How does this compare with humid air?
Water vapor is composed of two atoms of hydrogen and one atom of oxygen (H2O). It is an invisible gas, just as oxygen and nitrogen are invisible. It has a molecular weight; its two atoms of hydrogen (each with atomic weight of 1) and one atom of oxygen (atomic weight 16) give water vapor a molecular weight of 18. Obviously, air, at nearly 29, weighs appreciably more than water vapor.
Suppose we take a given volume of completely dry air and weigh it, then take exactly the same amount of water vapor at the same temperature and weigh it. We will find that the dry air weighs slightly more. If we replace dry air molecules one for one with water vapor molecules, the total number of molecules remains the same, but the total weight of the drier air decreases. Since density is mass per unit volume, hot, humid air at the surface is less dense (lighter) than hot dry air.
This fact can have an important influence on our weather. The lighter the air becomes, the more likely it is to rise. All other factors being equal, hot, humid (less-dense) air will rise more readily than hot, dry (more-dense) air. It is of course the water vapor in the rising air that changes into liquid cloud droplets and ice crystals, which, in turn, grow large enough to fall to the earth as precipitation (see ● Fig.2).
Of lesser importance to weather but of greater importance to sports is the fact that a baseball will “carry” farther in less-dense air. Consequently, without the influence of wind, a ball will travel slightly farther on a hot, humid day than it will on a hot, dry day. So when the sports announcer proclaims “the air today is heavy because of the high humidity” remember that this statement is not true and, in fact, a 404-foot home run on this humid day might simply be a 400-foot out on a very dry day.
● FIGURE 2 on this summer afternoon in Maryland, lighter (less-dense) hot, humid air rises and condenses into towering cumS