Подъемный газ или газ легче воздуха — это газ, который имеет плотность ниже, чем обычные атмосферные газы, и в результате поднимается над ними, что делает его полезным для подъема самолетов легче воздуха. Только определенные газы легче воздуха подходят в качестве подъемных газов. Сухой воздух имеет плотность около 1,29 г/л (грамм на литр) при стандартных условиях температуры и давления (СТП) и среднюю молекулярную массу 28,97 г/моль , [1] и поэтому газы легче воздуха имеют плотность ниже этой.
Нагретый атмосферный воздух часто используется в любительских полетах на воздушном шаре . Согласно закону идеального газа , некоторое количество газа (а также смеси газов, такой как воздух) расширяется при нагревании. В результате определенный объем газа имеет меньшую плотность при более высокой температуре. Температура горячего воздуха в оболочке будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, но максимальная постоянная рабочая температура для большинства воздушных шаров составляет 250 °F (121 °C). [2]
Водород , будучи самым легким из существующих газов (7% плотности воздуха, 0,08988 г/л при STP), кажется наиболее подходящим газом для подъема. Его можно легко производить в больших количествах, например, с помощью реакции конверсии водяного газа или электролиза , но водород имеет ряд недостатков:
Гелий — второй по легкости газ (0,1786 г/л при STP). По этой причине он также является привлекательным газом для подъема грузов.
Главным преимуществом является то, что этот газ негорюч. Однако использование гелия имеет и некоторые недостатки:
В прошлом в воздушных шарах также использовался угольный газ , смесь водорода, оксида углерода и других газов. [5] [ нужен лучший источник ] Он был широко доступен и дешев. К недостаткам можно отнести более высокую плотность (снижающую подъемную силу), его воспламеняемость [6] и высокую токсичность [7] содержания оксида углерода.
Аммиак использовался в качестве подъемного газа в воздушных шарах [8], но, хотя он и недорог, он относительно тяжелый (плотность 0,769 г/л при нормальных условиях, средняя молекулярная масса 17,03 г/моль), ядовитый, раздражающий и может повредить некоторые металлы и пластики.
Метан (плотность 0,716 г/л при СТП, средняя молекулярная масса 16,04 г/моль), основной компонент природного газа , иногда используется в качестве подъемного газа, когда водород и гелий недоступны. [ требуется ссылка ] Он имеет то преимущество, что не просачивается через стенки шара так быстро, как более мелкие молекулы водорода и гелия. Многие шары легче воздуха сделаны из алюминизированного пластика, который ограничивает такую утечку; водород и гелий быстро просачиваются через латексные шары. Однако метан легко воспламеняется и, как и водород, не подходит для использования в пассажирских дирижаблях. Он также относительно плотный и мощный парниковый газ .
Также возможно объединить некоторые из вышеперечисленных решений. Известным примером является шар Розьер , который сочетает в себе ядро из гелия с внешней оболочкой из горячего воздуха.
Газообразное состояние воды легче воздуха (плотность 0,804 г/л при СТП, средняя молекулярная масса 18,015 г/моль) из-за низкой молярной массы воды по сравнению с типичными атмосферными газами, такими как азот (N2 ) . Она не воспламеняется и намного дешевле гелия. Таким образом, концепция использования пара для подъема уже насчитывает 200 лет. Самой большой проблемой всегда было создание материала, который мог бы ему противостоять. В 2003 году команда университета в Берлине, Германия, успешно изготовила паровой поднимаемый воздушный шар при температуре 150 °C. [9] Однако такая конструкция, как правило, непрактична из-за высокой температуры кипения и конденсации.
Фтористый водород легче воздуха и теоретически может использоваться в качестве подъемного газа. Однако он чрезвычайно едкий, высокотоксичный, дорогой, тяжелее других подъемных газов и имеет низкую температуру кипения 19,5 °C. Поэтому его использование было бы нецелесообразным.
Ацетилен на 10% легче воздуха и может использоваться в качестве подъемного газа. Его чрезвычайная воспламеняемость и низкая подъемная сила делают его непривлекательным выбором.
Цианистый водород , который на 7% легче воздуха, технически может использоваться в качестве подъемного газа при температурах выше его точки кипения 25,6 °C. Его чрезвычайная токсичность, низкая плавучесть и низкая температура кипения исключают такое использование.
Неон легче воздуха (плотность 0,900 г/л при СТП, средняя атомная масса 20,17 г/моль) и может поднять воздушный шар. Как и гелий, он не воспламеняется. Однако на Земле он редок и дорог, и входит в число самых тяжелых подъемных газов.
Чистый азот имеет то преимущество, что он инертен и широко доступен, поскольку он является основным компонентом воздуха. Однако, поскольку азот всего на 3% легче воздуха, он не является хорошим выбором для подъемного газа.
Этилен — ненасыщенный углеводород, который на 3% менее плотный, чем воздух. Однако, в отличие от азота, этилен легко воспламеняется и стоит гораздо дороже, что делает его использование в качестве подъемного газа крайне непрактичным.
Диборан немного легче молекулярного азота с молекулярной массой 27,7. Будучи пирофорным, он, однако, представляет большую опасность для безопасности, в масштабах даже больших, чем водород.
Теоретически аэростатическое транспортное средство можно было бы сделать с использованием вакуума или частичного вакуума. Еще в 1670 году, более чем за столетие до первого полета человека на воздушном шаре, [10] итальянский монах Франческо Лана де Терци представил себе корабль с четырьмя вакуумными сферами.
В теоретически идеальной ситуации с невесомыми сферами «вакуумный шар» имел бы на 7% больше чистой подъемной силы, чем шар, заполненный водородом, и на 16% больше чистой подъемной силы, чем шар, заполненный гелием. Однако, поскольку стенки шара должны быть способны оставаться жесткими, не взрываясь, шар непрактично строить из любого известного материала. Несмотря на это, иногда на эту тему ведутся дискуссии. [11]
Хотя это и не газ, можно синтезировать сверхлегкий аэрогель с плотностью меньше воздуха, самый легкий из зарегистрированных на данный момент достиг плотности примерно в 1/6 от плотности воздуха. [12] Однако аэрогели не плавают в условиях окружающей среды, поскольку воздух заполняет поры микроструктуры аэрогеля, поэтому кажущаяся плотность аэрогеля представляет собой сумму плотностей материала аэрогеля и воздуха, содержащегося внутри. В 2021 году группа исследователей успешно подняла в воздух ряд углеродных аэрогелей, нагрев их галогенной лампой, что привело к снижению плотности воздуха, заключенного в пористой микроструктуре аэрогеля, что позволило аэрогелю плавать. [13]
Водород и гелий являются наиболее часто используемыми подъемными газами. Хотя гелий в два раза тяжелее (двухатомного) водорода, они оба значительно легче воздуха.
Подъемную силу водорода и гелия в воздухе можно рассчитать с помощью теории плавучести следующим образом:
Таким образом, гелий почти в два раза плотнее водорода. Однако плавучесть зависит от разности плотностей (ρ gas ) − (ρ air ), а не от их отношений. Таким образом, разница в плавучести составляет около 8%, как видно из уравнения плавучести:
Где F B = Выталкивающая сила (в Ньютонах ); g = ускорение свободного падения = 9,8066 м/с 2 = 9,8066 Н/кг; V = объем (в м 3 ). Таким образом, количество массы, которое может быть поднято водородом в воздухе на уровне моря, равное разнице плотностей водорода и воздуха, равно:
а выталкивающая сила для одного м3 водорода в воздухе на уровне моря равна:
Следовательно, масса, которую гелий может поднять в воздухе на уровне моря, составляет:
а выталкивающая сила для одного м3 гелия в воздухе на уровне моря равна:
Таким образом, дополнительная плавучесть водорода по сравнению с гелием составляет:
Этот расчет выполняется на уровне моря при температуре 0 °C. Для больших высот или более высоких температур величина подъемной силы будет уменьшаться пропорционально плотности воздуха, но отношение подъемной силы водорода к подъемной силе гелия останется прежним. Этот расчет не включает массу оболочки, необходимую для удержания подъемного газа.
На больших высотах давление воздуха ниже, и, следовательно, давление внутри шара также ниже. Это означает, что в то время как масса подъемного газа и масса вытесненного воздуха для данной подъемной силы такие же, как на меньшей высоте, объем шара на больших высотах намного больше.
Воздушный шар, предназначенный для подъема на экстремальные высоты ( стратосферу ), должен иметь возможность расширяться чрезвычайно сильно, чтобы вытеснить необходимое количество воздуха. Вот почему такие шары кажутся почти пустыми при запуске, как это видно на фотографии.
Другой подход к высотным полетам на воздушном шаре, особенно используемый для длительных полетов, — это сверхдавленный воздушный шар . Сверхдавленный воздушный шар поддерживает более высокое давление внутри воздушного шара, чем внешнее (окружающее) давление.
Из-за огромной разницы в плотности между водой и газами (вода примерно в 1000 раз плотнее большинства газов) подъемная сила подводных газов очень велика. Тип используемого газа в значительной степени не имеет значения, поскольку относительная разница между газами незначительна по сравнению с плотностью воды. Однако некоторые газы могут сжижаться под высоким давлением, что приводит к резкой потере плавучести.
Поднятый под воду воздушный шар расширится или даже взорвется из-за сильного падения давления, если только газ не сможет непрерывно выходить во время подъема или если воздушный шар не будет достаточно прочен, чтобы выдержать изменение давления.
Водолазы используют подъемные мешки (перевернутые мешки), которые они наполняют воздухом, чтобы поднимать тяжелые предметы, такие как пушки и даже целые корабли во время подводной археологии и спасения затонувших кораблей . Воздух либо подается из водолазных баллонов , либо закачивается через шланг с судна водолаза на поверхности.
Подводные лодки используют балластные цистерны и дифферентные цистерны с воздухом для регулирования своей плавучести , что по сути делает их подводными « дирижаблями ». Батискафы — это тип глубоководных подводных аппаратов, которые используют бензин в качестве «подъемного газа».
Воздушный шар может обладать плавучестью только в том случае, если существует среда, имеющая более высокую среднюю плотность, чем сам шар.
В 2002 году аэрогель был занесен в Книгу рекордов Гиннесса как наименее плотное (самое легкое) твердое тело. [16] Аэрогель в основном состоит из воздуха, поскольку его структура похожа на структуру губки с высокой степенью пустоты . Легкость и низкая плотность обусловлены в первую очередь большой долей воздуха внутри твердого тела, а не кремниевыми строительными материалами. [17] Пользуясь этим, SEAgel , относящийся к тому же семейству, что и аэрогель, но изготовленный из агара , может быть заполнен газообразным гелием для создания твердого тела, которое плавает, если поместить его в открытый сверху контейнер, заполненный плотным газом. [18]