Воздух

Воздух (далее В) естественная смесь газов, главным образом азота и кислорода, составляющая земную атмосферу. Под действием В и воды совершаются важнейшие геологические процессы на поверхности Земли, формируется погода и климат. В является источником необходимого для нормального существования подавляющего числа живых организмов (см. Дыхание, Аэробы). Сжиганием топлива на В человечество издавна получает необходимое для жизни и производственной деятельности тепло (см. Горение). В — один из важнейших источников сырья.   Сухой В состоит из следующих газов (% по объему): 2 78,09; 2 20,95; 0,93; углекислого газа 2 0,03. В содержит очень небольшие количества остальных инертных газов, а также 2, озона О3, окислов окиси СО, аммиака 3, метана 4, сернистого газа 2 и др. (подробнее о составе сухого В см. таблицу в ст. Атмосфера). Учитывая молекулярную массу каждого компонента и его долю в составе В, можно рассчитать среднюю молекулярную массу В, равную 28,966 (приблизительно 29). Содержание в В и инертных газов практически постоянно, причем постоянная концентрация 2 (и отчасти 2) поддерживается растительным миром Земли (см. Фотосинтез, Азотфиксация). Содержание в В углекислого газа, окислов сернистых соединений существенно колеблется (в частности, возрастает вблизи больших городов и промышленных предприятий; см. также Воздушный бассейн). Содержание воды в В непостоянно и может составлять от 0,00002 до 3% по объему (см. Влажность воздуха). В В всегда находится большое число мелких твердых частичек — пылинок (от нескольких млн. в 1 м3 чистого комнатного В до 100—300 млн. в 1 м3 В больших городов, см. Аэрозоли). Такие частички зачастую служат центрами конденсации атмосферной влаги и являются причиной образования туманов. В проникает в почву, составляя от 10 до 23—28% ее объема. Почвенный В, благодаря биологическим процессам в почве, существенно отличается от обычного по составу; он содержит (по объему): 78—80% 2, 0,1—20,0% 2 и 0,1—15,0% 2.   Историческая справка. Ученые древности считали В одним из элементов, из которых состоит все существующее. Анаксимен из Милета (6 в. до н. э.) называл В "первоматерией", а Эмпедокл (5 в. до н. э.) и Аристотель (4 в. до н. э.) — одним из четырех элементов — стихий (наряду с огнем, водой и землей), в которых заключены все присущие материи свойства. Представление о В как о самостоятельном индивидуальном веществе господствовало в науке до конца 18 в. В 1775—77 французский химик А. Лавуазье показал, что в состав В входят открытые незадолго до того элементы и В 1894 английские ученые Дж. Рэлей и У. Рамзай обнаружили в В еще один элемент — затем в В были открыты и другие инертные газы.   Большую роль в истории науки сыграло изучение физических свойств В Итальянский ученый Г. Галилей (1632) нашел, что В в 400 раз легче воды. Итальянские ученые В Вивиани и Э. Торричелли (1643) открыли существование атмосферного давления и изобрели для его измерения барометр. Французский ученый Б. Паскаль обнаружил уменьшение атмосферного давления с высотой. Изучая соотношение между давлением и объемом В, Р. Бойль и Р. Тоунлей (1662) в Англии и Э. Мариотт (1676) во открыли закон, названный их именами (см. Бойля — Мариотта закон); в дальнейшем, с развитием науки были установлены и другие газовые законы (см. Газы). Долгое время В и его главные компоненты не удавалось превратить в жидкость, и потому их считали "постоянными" газами. Неудача попыток сжижения В была объяснена лишь после того, как Д. И. (1860) установил понятие критической температуры и давления. В 1877, используя охлаждение В до температуры ниже критической (около —140°С) под высоким давлением, Л. П. Кальете (Париж) и Р. Пикте (Женева) удалось превратить В в жидкость. В 1895 немецкий инженер К. Линде сконструировал и построил первую промышленную установку для сжижения В (см. Сжижение газов).   Физические свойства. Давление В при 0°С на уровне моря 101325 н/м2 (1,01325 б, 1 aт, 760 мм рт. cт.); в этих условиях масса 1 л В равна 1,2928 г. Для большинства практических целей В можно рассматривать как идеальный газ; в частности, парциальное давление каждого газа, входящего в состав В, не зависит от присутствия других компонентов В (см. Дальтона законы). Критическая температура —140,7°С, критическое давление 3,7 Мн/м2 (37,2 am). Перечисленные ниже свойства В даны при давлении 101325 н/м2 или 1,01325 б (так называемое нормальное давление). Удельная теплоемкость при постоянном давлении p 10,045·103 дж/(кг·К), т. e. 0,24 кал/(г·°С) в интервале 0—100°С, а при постоянном объеме v8,3710·103 дж/(кг·К), т. е. 0,2002 кал/(г·°С) в интервале 0—1500°С. Коэффициент теплопроводности 0,024276 вт/(м·К), то есть 0,000058 кал/(см·сек·°С) при 0°С и 0,030136 вт/(м·К), т. е. 0,000072 кал/(см·сек·°С) при температуре 100°С; коэффициент теплового расширения 0,003670 (0—100°С). Вязкость 0,000171 (0°С) и 0,000181 (20°С) мн·сек/м2 (спз). Степень сжимаемости z = pV/p00 1,00060 (0°С), 1,09218 (25°С), 1,18376 (50°); показатель преломления 1,00029; диэлектрическая проницаемость 1,000059 (0°С). Растворимость в воде (в см3 на 1 л воды) 29,18 (0°С) и 18,68 (20°С). Поскольку растворимость в воде несколько выше, чем соотношение этих газов при растворении в воде изменяется и составляет соответственно 35% и 65%. Скорость звука в В при 0°С около 330 м/сек.   Жидкий В — голубоватая жидкость с плотностью 0,96 г/см3 (при—192°С и нормальном давлении). Свободно испаряющийся при нормальном давлении жидкий В имеет температуру около —190°С. Состав его непостоянен, так как (и улетучивается быстрее Фракционное испарение жидкого В используют для получения чистого и и других инертных газов. Жидкий В хранят и транспортируют в дьюара сосудах или в резервуарах специальной конструкции — танках. Сжатый В хранят в стальных баллонах при 15 Мн/м2 (150 am); окраска баллонов черная с белой надписью "В сжатый".   В Л. Василевский.   Физиолого-гигиеническое значение В Колебания содержания и в атмосфере В незначительны и не оказывают существенного влияния на организм человека. Для нормальной жизнедеятельности человека важен процентный состав В, в частности парциальное давление Парциальное давление В над уровнем моря составляет 21331,5 н/м2 (160 мм рт. ст.), при уменьшении его до 18665,1 н/м2 (140 мм рт. ст.) появляются первые признаки недостаточности, которые легко компенсируются у здоровых людей учащением и углублением дыхания, ускорением кроветока, увеличением количества эритроцитов и т.д. При уменьшении парциального давления до 14 665,4 н/м2 (110 мм рт. ст.) компенсация становится недостаточной и появляются признаки гипоксии, а уменьшение его до 6 666,1—7 999,3 н/м2 (50—60 мм рт. cт.) опасно для жизни. Повышение парциального давления вплоть до дыхания чистым (парциальное давление 101325 кн/м2 — 760 мм рт. cт.) переносится здоровыми людьми без отрицательных последствий. При обычном парциальном давлении инертен. Увеличение его парциального давления до 0,8—1,2 Мн/м2 (8—12 aт) приводит к проявлению наркотического действия (см. Наркоз). Значительное увеличение процентного содержания в В (до 93% и более) вследствие уменьшения парциального давления может привести к аноксемии и даже смерти. Содержание углекислого газа — физиологического возбудителя дыхательного центра в атмосфере В, составляет обычно 0,03— 0,04% по объему. Некоторое повышение его концентрации в В промышленных центров несущественно для организма. При высоких концентрациях углекислого газа и снижении парциального давления может наступить асфиксия. При содержании в В 14—15% 2 может наступить смерть от паралича дыхательного центра. Увеличение концентрации 2 в В помещений происходит в основном за счет дыхания и жизнедеятельности людей (взрослый человек в покое при 18—20°С выделяет около 20 л 2 в час). Поэтому содержание в В углекислого газа, с одной стороны, и органических соединений, микроорганизмов, пыли и т.п., с другой, увеличиваются одновременно; концентрация 2 в В помещений является санитарным показателем чистоты В Содержание 2 в В жилых помещений не должно превышать 0,1%. Находящиеся в незначительном количестве в атмосфере В инертные газы — криптон, при нормальном давлении индифферентны для организма. Обнаруживаемые в атмосфере В в ничтожных концентрациях радиоактивные газы и его изотопы — актинон и торон, имеющие малый период полураспада, не оказывают неблагоприятного воздействия на человека.   В атмосфере В обычно обнаруживаются различные микроорганизмы (бактерии, грибки и др.). Однако патогенные микроорганизмы встречаются в В крайне редко, в связи с чем передача инфекционных заболеваний через атмосферу В может происходить в исключительных случаях, например при применении бактериологического оружия, в закрытых помещениях при наличии больных, выделяющих в В патогенные микроорганизмы вместе с мельчайшими капельками слюны при кашле, чихании, разговоре. В зависимости от устойчивости микроорганизмов они могут передаваться через В как воздушно-капельным, так и воздушно-пылевым путем (наиболее устойчивые, например, возбудители туберкулеза, дифтерии).   Для жизнедеятельности человека большое значение имеют температура, влажность, движение В Для обычно одетого человека, выполняющего легкую работу, оптимальная температура В 18—20°С. Чем тяжелее работа, тем ниже должна быть температура В Благодаря совершенным механизмам терморегуляции человек легко переносит изменения температуры и может приспособиться к различным климатическим условиям. Оптимальная для человека относительная влажность В 40—60%. Сухой В при всех условиях переносится хорошо. Повышенная влажность В действует неблагоприятно: при высокой температуре она способствует перегреванию, а при низкой температуре переохлаждению организма. Движение В вызывает увеличение теплоотдачи организма. Поэтому при высокой температуре (до 37°С) ветер способствует предохранению человека от перегревания, а при низкой — переохлаждению организма. Особенно неблагоприятна для человека комбинация ветра с низкой температурой и высокой влажностью. Известное значение придается ионизации В Легкие ионы с отрицательным зарядом оказывают положительное воздействие на организм. Для ионизации В предложен ряд приборов.   Г. И. Сидоренко.   Загрязнение В Рост масштабов хозяйственной деятельности увеличивает загрязнение В Развитие промышленности, энергетики, транспорта приводит к повышению содержания в В углекислого газа (на 0,2% от имеющегося в В количества ежегодно) и ряда других вредных газов. Металлургические и предприятия и ТЭЦ загрязняют В сернистым газом, окислами сероводородом, галогенами и их соединениями. Другим серьезным источником загрязнения В служит автотранспорт. По некоторым подсчетам, 1 тыс. автомобилей в день выбрасывает с выхлопными газами в В 3,2 т окиси от 200 до 400 кг других продуктов неполного сгорания топлива, 50—150 кг соединений Очень велико загрязнение В твердыми частицами. В Питсбурге (США) на 1 кв. миле (259 га) ежегодно осаждается 610 т пыли. Промышленные предприятия, ТЭЦ, автотранспорт, лесные пожары, пыльные бури, возникающие в результате эрозии почв при неправильном землепользовании, повышают концентрацию твердых частиц (пыли и дыма) в В настолько, что это существенно (на 20—40%) понижает солнечную радиацию, дошедшую до поверхности земли в районе больших городов. О масштабах таких процессов можно судить хотя бы по тому, что пыльные бури 1930—34 в США унесли до 25 см почвенного слоя и перенесли около 200 млн. т пыли на расстояния до 1000 км.   Загрязнение В приводит к ухудшению условий жизни человека, животных и растений. Вредное действие на живые организмы при этом вызывается не только первичными компонентами промышленных выбросов, но и образующимися из них новыми токсическими веществами, так называемыми фотооксидантами. Загрязнение В иногда может достигать таких масштабов, что приводит к увеличению заболеваемости и смертности населения. Особую опасность представляют радиоактивные загрязнения В; вследствие постоянных движений воздушных масс они носят глобальный характер (см. Радиоактивное загрязнение). Некоторые загрязнения В вызывают профессиональные заболевания. Влияние загрязнений В на условия жизни весьма велико. В СССР приняты законы об охране природы, предусматривающие необходимость санитарного контроля за состоянием В и ответственность руководителей промышленных предприятий за тщательную очистку и обезвреживание промышленных газов до их выброса в атмосферу (см. Газов очистка). В качестве обязательных мероприятий при планировке и застройке городов и поселков и размещении промышленных объектов предусматривается создание санитарно-защитных зон (разрывов), вынос вредных в санитарном отношении промышленных предприятий за пределы жилых районов и т.д. (см. Благоустройство населенных мест, Реконструкция города). См. также Воздушный бассейн.   Анализ В Предельно допустимые концентрации (обычно в мг на 1 л или на 1 м3 В) вредных и взрывоопасных веществ в производственной воздушной среде регламентируются законодательно. Методы анализа В зависят от агрегатного состояния определяемого вещества. Например, пыль и аэрозоли обычно улавливают ватными или бумажными фильтрами; иногда для улавливания аэрозолей применяют стеклянные фильтры; туманы и газы поглощают главным образом жидкостями. Наиболее распространенные методы определения содержания вредных веществ в В — фотометрический анализ, нефелометрия и турбидиметрия. Для быстрого определения малых концентраций токсичных и взрывоопасных веществ в В наиболее часто используют автоматические газоанализаторы. Особое место в анализе В занимает определение радиоактивных загрязнений (см. Дозиметрия).   В в технике. Благодаря содержащемуся в В он используется как агент в различных процессах. Сюда относятся: горение топлива, выплавка металлов из руд (доменный и мартеновский процессы), промышленное получение многих соединений (серной и кислот, фталевого ангидрида, окиси этилена, уксусной кислоты, ацетона, фенола и др.); ценность В как агента существенно повышают, увеличивая содержание в нем В является важнейшим промышленным сырьем для получения инертных газов. Физические свойства В используют в тепло- и звукоизоляционных материалах, в электроизоляционных устройствах; упругие свойства В — в пневматических шинах; сжатый В служит рабочим телом для совершения механической работы (пневматические машины, струйные и распылительные аппараты, перфораторы и т.д.).   Искусственный В (точнее — искусственная атмосфера, смеси газов, пригодные для дыхания) впервые был использован в медицине при заболеваниях, сопровождающихся недостаточностью (40—60% в смеси с обычным В или 95% и 5% 2). Подобные искусственные газовые смеси применяются в высотной авиации, горноспасательном деле. Особое значение имеет искусственный В в водолазном деле. Обычный В непригоден для работы при давлениях, существенно превышающих нормальное: в этих условиях В оказывает наркотическое действие, а повышение растворимости в крови и тканях тела делает опасным быстрый подъем водолаза на поверхность. Выделение пузырьков из крови может вызвать кессонную болезнь и смерть. Поэтому в последние 10—15 лет испытываются для работ на больших глубинах (в условиях высоких давлений) безазотные газовые смеси, содержащие главным образом (до 96,4%) и (4—2%) под давлением 0,7—2 Мн/м2 (7—20 am). Такие смеси устраняют опасность кессонной болезни, однако создают определенный дискомфорт из-за высокой теплопроводности отмечено также существенное изменение тембра голоса в такой атмосфере. Проблема искусственного В решается также при создании обитаемых космических кораблей (см. Атмосфера кабины). Советские космические корабли "Восток" и "Восход" были оборудованы специальной системой, поддерживающей состав В, близкий к обычному: парциальное давление 20—40 кн/м2, объемная концентрация 2 0,5—1%. Американские космические корабли "Джемини" имели чисто атмосферу при давлении около 0,3 aт.   Лит.: Хргиан А. Х., Физика атмосферы, 2 изд., М., 1958; Некрасов Б. В, Основы общей химии, т. 1, М., 1965; Баттан Л. Дж., Загрязненное небо, пер. с англ., М., 1967; Арманд Д., Нам и внукам, 2 изд., М., 1966; Соколов В А., Газы земли, (М., 1966); Определение вредных веществ в воздухе производственных помещений, 2 изд., М., 1954; Руководство по коммунальной гигиене, т. 1, М., 1961.   В Л. Василевский.