воздух менее плотный чем вода

Что плотнее воздух или вода

Один из самых распространенных вопросов из курса термодинамики – какой воздух легче, влажный или сухой. Вода, очевидно, тяжелее воздуха, но почему тогда влажный воздух легче сухого?

Ответ кроется в агрегатном состоянии воды. Вода в жидком состоянии тяжелее воздуха. Плотность воды в нормальном состоянии составляет около 1000кг/м3, а плотность воздуха – около 1,2кг/м3, следовательно, один и тот же объём воды при том же давлении в 830 раз тяжелее воздуха.

Однако в газообразном состоянии положение дел меняется. Водяной пар легче воздуха. Плотность водяного пара составляет всего 0,72кг/м3, что почти в 1,7 раза легче воздуха. Этот же вывод вытекает из соотношения молярных масс молекул воды и воздуха. Молярная масса воды (H2O) составляет 18г/моль, а воздуха (в среднем, 25% кислорода (O2) с молярной массой 32г/моль и 75% азота (N2) с молярной массой 28г/моль) – 29г/моль.

Влажный воздух представляет собой смесь газов – сухого воздуха и водяного пара. Учитывая, что плотность сухого воздуха составляет 1,2кг/м3, а плотность водяного пара – 0,72 кг/м3, становится очевидным, что влажный воздух легче сухого.

В системах вентиляции этот факт играет большую роль. Именно по причине того, что влажный воздух легче сухого, вытяжку из помещений, где находятся люди, предпочтительно делать в верхней зоне помещения (то есть, под потолком).

Влага, которую выделяет человек посредством дыхания и потоотделения, испаряется воздухом, увлажняя его. Отработанный влажный воздух сосредотачивается в верхней зоне. Следовательно, вытяжка отработанного воздуха должна происходить из верхней зоны.

Этот же фактор учитывается при вентиляции бассейнов. Зеркало воды постепенно испаряется, и влажный воздух скапливается под потолком (под крышей) бассейна. Именно из верхней зоны бассейна и осуществляется вытяжка воздуха.

Во сколько раз вода плотнее воздуха

Автор Неизвестно задал вопрос в разделе Естественные науки

Как сопоставляется плотность воздуха и плотность воды? Во сколько раз вода плотнее? и получил лучший ответ

Как я торговался в Китае.

Первым делом я поехал покупать куртку.
подробнее.

Если разделить массу тела на объем или площадь, которую она занимает, то получим плотность тела (поверхности). Некоторые вещества состоят из нескольких компонентов. У каждого из них своя плотность. При расчетах используется их сумма. Полученный результат и является плотностью всего вещества (соединения). Данный показатель может определяться для разных тел. Во многих случаях именно плотность является определяющим параметром при расчетах, осуществлении работ и при прочих важных обстоятельствах. Далее в статье рассмотрим общее значение понятия. Выясним, какое значение имеет плотность воздуха. Рассмотрим также влияние тех или иных факторов на показатель.

Виды плотности

Тела существуют различные. Так же, как и бывают разные состояния веществ. Есть, например, жидкости и газы. Есть сыпучие и пористые тела. Для них существуют такие плотности: истинная (не берут во внимание учет пустот), удельная (отношение массы всего вещества к объему, которое она занимает). Существует коэффициент пористости (часть объема пустот, которые есть во всем объеме). Именно с помощью этого коэффициента получают истинную плотность.

Зависимость от температуры

Много ли факторов способны изменить плотность? Рассмотрим основные внешние явления, которые могут обладать такой способностью. Плотность увеличивается, когда уменьшается температура. Хотя некоторые вещества являются исключениями. К ним относятся, например, вода, чугун и бронза. В этом случае изменения происходят по-другому. Самая высока плотность у воды, когда жидкость достигает 4 градусов тепла, а если температура становится выше или ниже, то она уменьшается.

Важность агрегатного состояния

Агрегатное состояние тела определяет многие его характеристики. Так, к примеру, жидкости обладают одними свойствами, газы – другими. Отличие отмечается и в характере взаимодействия тел друг с другом. Бывает и такое, что меняется агрегатное состояние. В таком случае плотность изменяется по-разному. Если состояние переходит с газообразного в жидкое, то она растет. Вода и кремний, например, ведут себя особенным образом. Как только они переходят в твердое состояние, плотность уменьшается. Такими свойствами еще обладает германий. Они являются исключениями за счет своих свойств.

Прочие факторы

Плотность воздуха играет большую роль в жизни всего живого на планете, хотя мало кто задумывается об этом явлении. Почему парят птицы в воздухе, летают самолеты, а какой-то предмет падает на землю, а не задерживается в пространстве? Кроме того, в этом всем участвует и плотность воздуха. Однако это соединение обладает и прочими свойствами. Так, когда говорят о погодных условиях, то используют такое определение, как влажность воздуха. Если он сухой, то человеку тяжелее дышать и передвигаться, любое существо испытывает дискомфорт. Как только хоть немного появляется влаги, то эти ощущения пропадают. А ведь все это зависит от того, что сухой воздух имеет большую плотность, а судя из соотношения, и массу. Все это изучалось еще в школьные годы на уроках физики.

Исследования Ньютона

Если задуматься, то такие явления, перечисленные выше, могут показаться непонятными. Ведь как сухой воздух может быть тяжелее того, который насыщен влагой? А именно водой в газообразном состоянии. Но это парадоксальное явление давно доказали ученые, да еще и подтвердили многими исследованиями. Первый, кто об этом начал говорить, был Исаак Ньютон. Все свои мысли и доводы он написал в книге «Оптика». Ученый говорил о том, что именно плотность влажного воздуха ниже, чем у сухого. В 1717 году эта книга вышла в свет в Лондоне. Но, к сожалению, гипотезы известного ученого не взяли во внимание, «Оптика» не имела большого успеха.

Опыт Авогадро

Амадео Авогардо доказал, что в равных объемах идеальных газов число молекул будет одинаковым вне зависимости от изменений температуры. Позднее такую величину молекул назвали константой Авогадро. А саму гипотезу – законом, которому также присвоили имя ученого. Часто приводят пример, который показывает, как зависит плотность воздуха от температуры и прочих факторов. Приведем несколько показателей. Обычно чистый воздух имеет примерно 78% азотных молекул (атомный вес – 28). Остальные 21% – это кислород. Его атомный вес равняется 32. Еще один процент считается несущественным, так как он принадлежит разным газам, которые тоже входят в состав воздуха.

Как определить плотность воздуха

Провести непосредственные измерения не представляется возможным. Для расчетов существуют конкретные формулы, чтобы получить нужный показатель. Есть 2 вида плотностей: весовая и массовая. В основном используют последнюю.

1. Буквой g обозначают весовую плотность воздуха (это вес на один кубометр). Измеряется он соотношением веса соединения (который вымеряют в кгс) на его объем (м ₃ ).

2. Из-за многих нюансов показатели могут меняться. Влияет на это вращение Земли, географическая широта, сила инерции. Так, например, на экваторе вес будет меньше на 5% по сравнению с полюсами. Было измерено то, что если давление будет 769 мм рт. ст, а температура будет +15, то один кубометр будет иметь весовую плотность около 1,225 кгс.

3. В формулах используются различные обозначения. Буквой р обозначают массовую плотность воздуха – это масса на один кубометр воздуха. Известно, что она не меняется от внешних факторов, всегда равняется одному показателю. За единицу массы плотности принята масса гири из иридистой платины, хранящейся в Международной палате мер и весов в Париже. Если же говорить о формуле, то эта плотность равняется отношению массы к плотности воздуха.

4. Когда происходят какие-то изменения (то ли в температуре, то ли в давлении воздуха), то и сама плотность изменяется. При изменяющихся показателях массовая плотность воздуха вычисляется по формуле: p = 0,0473 х В / Т. Здесь В – барометрическое давление, измеряется в мм рт. ст., Т – температура воздуха, измеряется в Кельвинах.

5. Если давление увеличится, а температура, наоборот, понизится, то плотность воздуха будет расти. Исходя из такого утверждения можно сделать вывод, что в зимние морозы она будет самая высокая. Чем выше подниматься в пространстве, тем больше будет уменьшаться плотность, ведь давление становится меньше.

Заключение

Итак, судя по всем вышеперечисленным примерам, плотность воздуха – это довольно-таки изменчивый показатель. Ведь много факторов влияет на ее понижение или повышение. Для того чтобы ее правильно измерять, нужно их учитывать. Какие-либо изменения в природе оказывают активное влияние на показатель. Ведь воздух меняет свои свойства во влажную погоду или сухую, в морозные или жаркие летние дни, со сменой давления. Это было неоднократно доказано известными учеными.

Источник

Что легче – влажный воздух или сухой?

Один из самых распространенных вопросов из курса термодинамики – какой воздух легче, влажный или сухой. Вода, очевидно, тяжелее воздуха, но почему тогда влажный воздух легче сухого?

Ответ кроется в агрегатном состоянии воды. Вода в жидком состоянии тяжелее воздуха. Плотность воды в нормальном состоянии составляет около 1000кг/м3, а плотность воздуха – около 1,2кг/м3, следовательно, один и тот же объём воды при том же давлении в 830 раз тяжелее воздуха.

Однако в газообразном состоянии положение дел меняется. Водяной пар легче воздуха. Плотность водяного пара составляет всего 0,72кг/м3, что почти в 1,7 раза легче воздуха. Этот же вывод вытекает из соотношения молярных масс молекул воды и воздуха. Молярная масса воды (H2O) составляет 18г/моль, а воздуха (в среднем, 25% кислорода (O2) с молярной массой 32г/моль и 75% азота (N2) с молярной массой 28г/моль) – 29г/моль.

Влажный воздух представляет собой смесь газов – сухого воздуха и водяного пара. Учитывая, что плотность сухого воздуха составляет 1,2кг/м3, а плотность водяного пара – 0,72 кг/м3, становится очевидным, что влажный воздух легче сухого.

В системах вентиляции этот факт играет большую роль. Именно по причине того, что влажный воздух легче сухого, вытяжку из помещений, где находятся люди, предпочтительно делать в верхней зоне помещения (то есть, под потолком).

Влага, которую выделяет человек посредством дыхания и потоотделения, испаряется воздухом, увлажняя его. Отработанный влажный воздух сосредотачивается в верхней зоне. Следовательно, вытяжка отработанного воздуха должна происходить из верхней зоны.

Этот же фактор учитывается при вентиляции бассейнов. Зеркало воды постепенно испаряется, и влажный воздух скапливается под потолком (под крышей) бассейна. Именно из верхней зоны бассейна и осуществляется вытяжка воздуха.

Источник

Физические свойства воздуха: плотность, вязкость, удельная теплоемкость

Рассмотрены основные физические свойства воздуха: плотность воздуха, его динамическая и кинематическая вязкость, удельная теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля и энтропия. Свойства воздуха даны в таблицах в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении.

Плотность воздуха в зависимости от температуры

Представлена подробная таблица значений плотности воздуха в сухом состоянии при различных температурах и нормальном атмосферном давлении. Чему равна плотность воздуха? Аналитически определить плотность воздуха можно, если разделить его массу на объем, который он занимает при заданных условиях (давление, температура и влажность). Также можно вычислить его плотность по формуле уравнения состояния идеального газа. Для этого необходимо знать абсолютное давление и температуру воздуха, а также его газовую постоянную и молярный объем. Это уравнение позволяет вычислить плотность воздуха в сухом состоянии.

На практике, чтобы узнать какова плотность воздуха при различных температурах, удобно воспользоваться готовыми таблицами. Например, приведенной таблицей значений плотности атмосферного воздуха в зависимости от его температуры. Плотность воздуха в таблице выражена в килограммах на кубический метр и дана в интервале температуры от минус 50 до 1200 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении (101325 Па).

Плотность воздуха в зависимости от температуры — таблица

t, °С	ρ, кг/м 3	t, °С	ρ, кг/м 3	t, °С	ρ, кг/м 3	t, °С	ρ, кг/м 3
-50	1,584	20	1,205	150	0,835	600	0,404
-45	1,549	30	1,165	160	0,815	650	0,383
-40	1,515	40	1,128	170	0,797	700	0,362
-35	1,484	50	1,093	180	0,779	750	0,346
-30	1,453	60	1,06	190	0,763	800	0,329
-25	1,424	70	1,029	200	0,746	850	0,315
-20	1,395	80	1	250	0,674	900	0,301
-15	1,369	90	0,972	300	0,615	950	0,289
-10	1,342	100	0,946	350	0,566	1000	0,277
-5	1,318	110	0,922	400	0,524	1050	0,267
0	1,293	120	0,898	450	0,49	1100	0,257
10	1,247	130	0,876	500	0,456	1150	0,248
15	1,226	140	0,854	550	0,43	1200	0,239

Динамическая и кинематическая вязкость воздуха при различных температурах

При нагревании воздуха увеличиваются значения как кинематической, так и динамической вязкости. Эти две величины связаны между собой через величину плотности воздуха, значение которой уменьшается при нагревании этого газа. Увеличение кинематической и динамической вязкости воздуха (как и других газов) при нагреве связано с более интенсивным колебанием молекул воздуха вокруг их равновесного состояния (согласно МКТ).

Представлена таблица удельной теплоемкости воздуха при различных температурах. Теплоемкость в таблице дана при постоянном давлении (изобарная теплоемкость воздуха) в интервале температуры от минус 50 до 1200°С для воздуха в сухом состоянии. Чему равна удельная теплоемкость воздуха? Величина удельной теплоемкости определяет количество тепла, которое необходимо подвести к одному килограмму воздуха при постоянном давлении для увеличения его температуры на 1 градус. Например, при 20°С для нагревания 1 кг этого газа на 1°С в изобарном процессе, требуется подвести 1005 Дж тепла.

Следует отметить, что теплоемкость влажного воздуха выше, чем сухого. Если сравнить теплоемкость воды и воздуха, то очевидно, что вода обладает более высоким ее значением и содержание воды в воздухе приводит к увеличению удельной теплоемкости.

Удельная теплоемкость воздуха при различных температурах — таблица

t, °С	Cp, Дж/(кг·град)	t, °С	Cp, Дж/(кг·град)	t, °С	Cp, Дж/(кг·град)	t, °С	Cp, Дж/(кг·град)
-50	1013	20	1005	150	1015	600	1114
-45	1013	30	1005	160	1017	650	1125
-40	1013	40	1005	170	1020	700	1135
-35	1013	50	1005	180	1022	750	1146
-30	1013	60	1005	190	1024	800	1156
-25	1011	70	1009	200	1026	850	1164
-20	1009	80	1009	250	1037	900	1172
-15	1009	90	1009	300	1047	950	1179
-10	1009	100	1009	350	1058	1000	1185
-5	1007	110	1009	400	1068	1050	1191
0	1005	120	1009	450	1081	1100	1197
10	1005	130	1011	500	1093	1150	1204
15	1005	140	1013	550	1104	1200	1210

Теплопроводность, температуропроводность, число Прандтля воздуха

Теплопроводность воздуха λ при повышении температуры увеличивается во всем диапазоне, достигая при 1200°С величины 0,0915 Вт/(м·град). Другие теплофизические свойства воздуха такие, как его температуропроводность a и число Прандтля Pr, по-разному реагируют на изменение температуры. Температуропроводность, как и вязкость воздуха сильно зависит от температуры и при нагревании, например с 0 до 1200°С, ее значение увеличивается почти в 17 раз.

Число Прандтля воздуха слабо зависит от температуры и при нагревании этого газа его величина сначала снижается до величины 0,674, а затем начинает расти, и при температуре 1200°С достигает значения 0,724.

Энтропия сухого воздуха

Источники:

Источник

Плотность вещества

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Масса

Начнем с самого сложного — с массы. Казалось бы, это понятие мы слышим с самого детства, примерно знаем, сколько в нас килограмм, и ничего сложного здесь быть не может. На самом деле, все сложнее.

В Международном бюро мер и весов в Париже есть цилиндр массой один килограмм. Материал этого цилиндра — сплав иридия и платины. Его масса равна одному килограмму, и этот цилиндр — эталон для всего мира.

Высота этого цилиндра приблизительно равна 4 см, но чтобы его поднять, нужно приложить немалую силу. Необходимость эту силу прикладывать обуславливается инерцией тел и математически записывается через второй закон Ньютона.

Второй закон Ньютона

F = ma

В этом законе массу можно считать неким коэффициентом, который связывает ускорение и силу. Также масса важна при расчете силы тяготения. Она является мерой гравитации: именно благодаря ей тела притягиваются друг к другу.

Закон Всемирного тяготения

F = GMm/R2

M — масса первого тела (часто планеты) [кг]

m — масса второго тела [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6.67 × 10-11 м3 кг-1 с-2

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз. Когда думаешь об этом, хочется взвешиваться исключительно на Луне🙃

Откуда берется масса

Физики убеждены, что у элементарных частиц должна быть масса. Доказано, что у электрона, например, масса есть. В противном случае они не могли бы образовать атомы и всю видимую материю.

Вселенная без массы представляла бы собой хаос из различных излучений, двигающихся со скоростью света. Не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни планет. Здорово, что это не так, и у элементарных частиц есть масса. Только вот пока непонятно, откуда эта масса у них берется.

Мужчину на этой фотографии зовут Питер Хиггс. Ему мы обязаны за предположение, экспериментально доказанное в 2012 году, что массу всех частиц создает некий бозон.

Бозон Хиггса невозможно представить. Это точно не частица в форме шарика, как обычно рисуют электрон в учебнике. Представьте, что вы бежите по песку. Бежать ощутимо сложно, как будто бы увеличилась масса. Частицы пробираются в поле Хиггса и получают таким образом массу.

Объем тела

Объем — это физическая величина, которая показывает, сколько пространства занимает тело. Это важный навык — уметь объемы соотносить. Например, чтобы посчитать, сколько пластиковых шариков помещается в гигантский бассейн.

Например, чтобы рассчитать объем прямоугольного параллелепипеда, нам нужно перемножить три его параметра.

Формула объема параллелепипеда

V = a*b*c

А для цилиндра будет справедлива такая формула:

Формула объема цилиндра

V = S*h

S — площадь основания [м^2]

Плотность вещества

Плотность — скалярная физическая величина. Определяется как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму.

Формула плотности вещества

р — плотность вещества [кг/м^3]

m — масса вещества [кг]

V — объем вещества [м^3]

Плотность зависит от температуры, агрегатного состояния вещества и внешнего давления. Обычно если давление увеличивается, то молекулы вещества утрамбовываются плотнее — следовательно, плотность больше. А рост температуры, как правило, приводит к увеличению расстояний между молекулами вещества — плотность понижается.

Ниже представлены значения плотностей для разных веществ. В дальнейшем это поможет при решении задач.

Источник

Водная и наземная среда

Водная и наземная среда

Жизнь зародилась в океане. В мелких прибрежных водах условия для возникновения первых групп растении и животных и для развития их разнообразия были благоприятные: относительное постоянство температуры и солености, обилие солнечного света, растворенных газов п минеральных веществ. Благодаря своей выталкивающей силе вода одинаково леи ко поддерживает как топкие структуры, так и массивные организмы.

Первые шаги в завоевании суши были трудными, о чем свидетельствуют несколько сот миллионов лет, отделяющие время, когда жизнь стала процветать в море, от ее первого появления на суше. II вес же, несмотря на суровость наземной среды, жизнь па суше достигла высокого уровня как по общей массе органического вещества, так же по разнообразию.

Быть может, нам не следовала бы выделять в качестве двух главных категории водную и наземную среды, ведь океан имеет твердое дно, а наземная среда погружена в воздушный океан. Чтобы в полной мере оценить различие между водной и наземной средами, надо сопоставлять свойства воды п воздуха, а не воды и суши.

К числу свойств воды, которые почти всецело определяют форму и функции водных организмов, относятся такие ее свойства, как плотность (примерно в 800 раз превышающая плотность воздуха) и способность растворять газы и минеральные вещества. Вода предоставляет все, что нужно для жизни: большинство морских организмов независимы от находящегося под ними дна, за исключением тех, кто использует его (па мелководьях) в качестве субстрата для прикрепления или зарывания в пего. В отличие от этого наземная жизнь приурочена к верхнему слою суши и прилегающей к нему атмосфере, причем обе эти среды поставляют существенные компоненты, необходимые живым организмам. Воздух содержит кислород, необходимый для дыхания, и двуокись углерода, необходимую для фотосинтеза, а почва служит источником воды л минеральных веществ.

Плотность и вязкость воды и воздуха

Водная среда поддерживает находящиеся в ней организмы, однако в большинстве случаев плотность живых тканей выше, чем плотность соленой или пресной воды. У водных животных и растений в процессе эволюции выработалось множество разнообразных структур, препятствующих погружению или замедляющих его. У рыб имеются плавательные пузыри — небольшие, наполненные газом мешки, находящиеся в полости тела и приближающие его удельный вес к удельному весу воды. У многих крупных бурых водорослей, растущих обычно в мелких прибрежных водах, имеются воздушные пузыри, выполняющие аналогичную функцию. Благодаря таким пузырям листовидный таллом этих водорослей, прикрепленных к субстрату прочными ризоидами, поднимается со дна к поверхностным водам, освещенным солнцем и богаты\ кислородом. Микроскопические одноклеточные водоросли (фитопланктон) в огромных количествах плавают в поверхностных водах озер п океанов. Эти растительные клетки содержат мельчайшие капельки масел, плотность которых ниже плотности воды и которые, таким образом, уравновешивают естественную тенденцию клеток опускаться вниз. Мельчайшие морские животные нередко снабжены длинными нитевидными придатками, замедляющими их погружение в глубину, подобно тому как парашют замедляет падение тела в воздухе (рис. 3.1). Аналогичные функции несут шелковинки паука и специальные придатки семян, как, например, крылатки клена, хохолки у семян одуванчика и ваточника; у наземного растения эти придатки увеличивают также радиус распространения семян.

Быстро передвигающиеся водные организмы должны иметь обтекаемую форму, что позволяет им уменьшить сопротивление, испытываемое при перемещении в такой вязкой среде, как вода. В этом смысле у скумбрии и других стайных рыб, живущих в открытом море, пропорция тела с точки зрения физики приближаются к идеальным (рис. 3.2) Воздух оказывает гораздо менее сильное сопротивление движению, поскольку его вязкость более чем в 50 раз ниже вязкости воды.

Вода обладает большей выталкивающей силой, чем воздух, а поэтому сила тяжести ограничивает максимальные размеры водных организмов в меньшей степени, чем наземных. Самые крупные наземные животные выглядят карликами по сравнению с некоторыми китами, достигающими в длину свыше 30 м и обладающими массой более 100 т (масса крупных слонов всего 7 т).

О том, что выталкивающая сила воды очень хорошо противодействует силе тяжести, свидетельствует скелет акуловых рыб, состоящий из костей, а из эластичного хряща, который не мог бы служить опорой для тела па суше. Несмотря на то что киты дышат воздухом, оказавшись на берегу, они быстро начинают задыхаться, так как их легкие сплющиваются под давлением огромной массы тела. Для наземных животных характерны жесткие структуры, благодаря которым они сохраняют форму и положение тела, несмотря на действие силы тяжести. Костный внутренний скелет позвоночных, хитиновый наружный скелет насекомых, жесткие целлюлозные стенки растительных клеток — все это структуры, несущие одну и ту же, опорную, функцию. У водных животных жесткие структуры служат обычно для защиты (раковина моллюсков) или для прикрепления мышц (панцирь ракообразных или костный скелет рыб), а не для поддержания веса тела.

Рис. 3.1. Нитевидные и перистые придатки планктонного ракообразного, обитающего в тропических морях (общая длина придатков составляет около 1,2 мм).

Рис. 3.2. Обтекаемая форма тела молодых особей скумбрии уменьшает сопротивление воды и дает возможность рыбе быстро плавать с минимальной затратой энергии.

Солнце одинаково интенсивно освещает и поверхность океана, и поверхность суши. Но на суше большая часть солнечного света поглощается или отражается листьями растений. В сущности, в наземных местообитаниях света иногда не хватает и растения конкурируют между собой за пего. Не для того ли деревья поднимают свои листья так высоко над землей, чтобы они оказались выше листьев соседних растений п получали больше света? Там, где вследствие недостатка воды растения не могут покрыть всю поверхность местообитания, падающий свет либо отражается, либо поглощается и превращается в тепло, нагревая поверхность земли.

Прозрачность стакана чистой воды обманчива. Способность воды к поглощению н рассеиванию света достаточно велика, п это сильно ограничивает глубину освещаемой Солнцем зоны океана. Поскольку для фотосинтеза необходим свет, глубина, па которой в океане можно встретить растения, также ограничена; они обитают только в относительно узкой зоне, куда проникает свет и где интенсивность фотосинтеза превосходит интенсивность дыхания растений. Это так называемая эвфоническая зона. Нижняя граница эвфонической зоны, где фотосинтез точно уравновешивает интенсивность дыхания, называется компенсационной точкой. Если водоросли, составляющие фитопланктон, погружаются на глубину ниже компенсационной точки или уносятся направленными вниз течениями воды и не возвращаются достаточно быстро ближе к поверхности в результате апвеллинга, то они погибают.

В некоторых озерах и морях, особенно тропических, где вода отличается исключительной прозрачностью, компенсационная точка может находиться на глубине 100 м от поверхности, но такие условия встречаются крайне редко. В продуктивных водоемах с высокой плотностью фитопланктона или же в мутных водоемах со взвешенными в воде частицами ила глубина эвфонической зоны может составлять всего один метр. В некоторых очень сильно загрязненных реках свет проникает практически лишь на глубину нескольких сантиметров.

Поскольку растениям необходим свет, крупные бентосные водоросли (формы, прикрепленные ко дну) встречаются только вблизи материков, где глубина воды не превышает 100 м. В огромных просторах открытого океана, а также в более мелких прибрежных зонах фитопланктон эвфонической зоны состоит из одноклеточных взвешенных в воде растений. Мелкие плавающие животные (зоопланктон), питающиеся фитопланктоном, также приурочены преимущественно к этой зоне, где их пища особенно обильна. Однако распространение животных не ограничено верхними слоями воды. Даже в самых глубоких частях океана, под толщей воды в несколько километров, обитают весьма разнообразные животные; пищей им служат мертвые организмы, падающие непрерывным дождем из освещаемых солнцем поверхностных слоев.

Кислород

Почти всем организмам, в том числе и зеленым растениям, для дыхания (процесс биохимического высвобождения энергии из органических соединений) необходим кислород. Атмосфера очень богата кислородом, который составляет примерно одну пятую ее по весу, однако в воде кислород растворяется плохо. Даже для наземных организмов, тело которых состоит в основном из воды, обеспечение кислородом и его распределение по разным тканям представляет собой очень серьезную проблему. Способы разрешения этой проблемы у разных организмов показывают, какое важное влияние оказывают физические свойства среды на форму и функции организмов (табл. 3.1).

У мелких водных организмов кислород поступает в ткани путем диффузии из окружающей их воды. У наземных растений газообмен с атмосферой также происходит за счет диффузии. Диффузия — физический процесс, при котором молекулы перемещаются из области высокой концентрации данного вещества в область низкой его концентрации до тех пор, пока их распределение не станет равномерным. Если концентрация кислорода в тканях данного организма ниже, чем в окружающей среде, то кислород диффундирует в ткани. Поскольку животные постоянно расходуют кислород в процессе дыхательного обмена, содержание кислорода в организме остается на низком уровне, что и обусловливает его непрерывную диффузию в ткани. Однако адекватное снабжение тканей кислородом путем диффузии возможно лишь на расстояниях не более 1 мм. У крупных организмов эта проблема решается при помощи циркуляторных систем, которые обеспечивают передвижение жидкостей от поверхностных участков — кожи, жабр или легких — к глубоким тканям

ТАБЛИЦА 3.1. Некоторые проблемы, с которыми сталкиваются крупные организмы в связи со снабжением своих тканей кислородом, и способы разрешения этих проблем

Проблема Решение Примеры

Не слишком серьезна у мелких или малоактивных организмов.

У крупных организмов диффузии препятствует большое расстояние от поверхности тела до его глубоких тканей.

Растворимость кислорода в воде ограничивает его перенос циркулирующими в организме жидкостями.

Высокое содержание белков повышает вязкость крови.

Снабжение кислородом происходит путем простой диффузии через клетки.

Циркуляторная система перекачивает жидкости из поверхностных тканей в глубокие.

Связывающие кислород белки (например, гемоглобин), содержащиеся в крови.

Дыхательные белки крови находятся в эритроцитах.

Простейшие, губки, кишечно-полостные.

Круглые черви — перекачивание при помощи мышц тела; членистоногие и моллюски — открытая система кровообращения без капилляров; позвоночные — замкнутая система кровообращения.

Гемоглобин широко распространен у позвоночных, но редко встречается в других группах, у которых имеются иные пигменты; у членистоногих пигментов крови нет, так как воздух непосредственно поступает в клетки по системе трахей.

Все позвоночные, некоторые моллюски и иглокожие.

Циркуляция жидкостей в организме сильно облегчает распределение в нем кислорода (и других веществ), однако вода не может содержать в себе достаточное количество растворенного кислорода, чтобы обеспечить интенсивный метаболизм. Растворимость кислорода в воде (до 1% по объему или около 0,0014% по весу) не дает возможности удовлетворить таким путем всей потребности активно функционирующих тканей. У многих групп животных в крови имеются специальные сложные белки, такие, как гемоглобин, увеличивающие кислородную емкость крови. Поскольку кислород легко соединяется с молекулами гемоглобина, содержание этого газа в плазме крови, ограничиваемое его способностью растворяться в воде, понижается. Гемоглобин может содержать в 50 раз больше кислорода, чем плазма крови. Но высокое содержание белка в крови создает дополнительную проблему, так как при этом повышается вязкость крови. У позвоночных и у некоторых морских беспозвоночных проблема слишком густой крови разрешается тем, что гемоглобин сосредоточен в эритроцитах, которые легко скользят один мимо другого в кровотоке.

Многие из этих приспособлений, связанных с обеспечением организма кислородом, возникали в ответ на различное его содержание в среде. Растворимость кислорода в воде снижается с повышением температуры или солености. В условиях, наиболее благоприятных для растворимости — при 0°С в пресной воде, — концентрация кислорода не достигает даже одной четвертой его концентрации в воздухе. В естественных водоемах концентрация растворенного кислорода никогда не достигает уровня, допускаемого их температурой и содержанием в них солей. Концентрация кислорода в воде редко превышает 6 см3/л, что примерно в 30 раз ниже его концентрации в воздухе. В стоячих водоемах, особенно в болотах или на дне островных озер, кислорода иногда нет вовсе, так как бактерии используют весь имеющийся его запас при разложении органических веществ. Среда, лишенная кислорода, называется анаэробной.

У рыб, живущих в стоячих водоемах, а также у птиц и млекопитающих, живущих на больших высотах, где плотность воздуха ниже, а поэтому кислорода меньше, чем в местообитаниях, расположенных на уровне моря, содержание гемоглобина в крови обычно выше, чем у животных, местообитания которых богаче кислородом. В таких условиях сама молекула гемоглобина становится приспособленной к низкому содержанию в среде кислорода и начинает связывать его более интенсивно, облегчая снабжение организма кислородом. У людей, живущих в местах, расположенных на уровне моря, кислородная емкость крови составляет 21% (по объему). В одном эксперименте у добровольцев, которые провели несколько недель на высоте 5350 м, способность крови связывать кислород повысилась до 25%, главным образом за счет увеличения количества гемоглобина, однако она далеко не достигла 30%, характерных для людей, постоянно живущих на больших высотах. Помимо изменений, происходящих в гемоглобине, на снабжение кислородом оказывают также влияние приспособительные изменения объема легких, частоты и глубины дыхания, размера сердца, частоты его сокращений и ударного объема и развития капиллярной сети..

Скорость, с которой организм может извлекать из воды растворенный в ней кислород, отчасти зависит от скорости, с которой он может пропускать воду через свои органы дыхания. Поэтому высокая вязкость воды по сравнению с воздухом еще более затрудняет водным животным добывание кислорода. Двустворчатые моллюски и многие рыбы создают непрерывный поток воды через жабры. Другие рыбы находятся в постоянном движении, чтобы обеспечить обмывание жабр водой. Наземные же животные могут быстро набирать воздух в легкие и вновь выпускать его наружу.

В атмосфере кислород распределен равномерно, однако его концентрация в воде подвержена сильным колебаниям, которые обусловлены его медленной диффузией. Содержание кислорода в воде обычно понижается с удалением от поверхности раздела между воздухом и водой; например, на дне пруда оно ниже, чем на его поверхности. Стоячие водоемы содержат меньше кислорода, чем проточные, в которых благодаря перекатам, водопадам и волнам происходит интенсивное перемешивание воды и воздуха. Некоторое количество кислорода посту- ет в воду за счет фотосинтеза. В большинстве случаев концентрация растворенного кислорода в водной среде увеличивается днем, когда происходит выделение кислорода в результате фотосинтеза. Это увеличение сводится па нет ночью, когда животные и растения в процессе дыхания поглощают кислород, а фотосинтеза не происходит. Двуокиси углерода в воде больше, и распределена она более равномерно, однако ее содержание также подвержено суточным колебаниям, но только в противоположном направлении: днем оно понижается, а ночью повышается.

Источник

• ← что нужно есть чтобы росла грудная клетка в 12 лет
• все что должен знать кадровик →