Каким из перечисленных газов следует заполнить шар для воздухоплавания: сернистым газом, азотом, гелием. Ответ подтвердите расчетами​

Для того чтобы выбрать подходящий газ для шаров воздухоплавания, нужно учитывать несколько факторов: его массу, безопасность, а также свойства для обеспечения подъемной силы. Рассмотрим каждый из предложенных газов: сернистый газ, азот и гелий.

1. Гелий

Гелий — это инертный газ, который используется в воздухоплавании чаще всего. Он легче воздуха, что дает возможность подъема шара. Гелий не горюч и не токсичен, что делает его безопасным для использования в таких целях.

Основные характеристики гелия:

• Молекулярная масса: 4 г/моль
• Плотность: около 0.179 кг/м³ при 0°C и 1 атмосфере
• Подъемная сила: гелий дает подъемную силу, поскольку его плотность меньше плотности воздуха (плотность воздуха около 1.225 кг/м³).

2. Азот

Азот — это инертный газ, который не горит и не токсичен. Однако его плотность почти такая же, как у воздуха, и это значит, что азот не имеет значительного подъема, чтобы использовать его для создания подъемной силы.

Основные характеристики азота:

• Молекулярная масса: 28 г/моль
• Плотность: около 1.165 кг/м³ при 0°C и 1 атмосфере
• Подъемная сила: поскольку плотность азота близка к плотности воздуха, его подъемная сила минимальна и не может быть эффективно использована для подъема шара.

3. Сернистый газ

Сернистый газ (SO₂) — это токсичный и ядовитый газ, который вряд ли будет использоваться для воздухоплавания. Он имеет неприятный запах и является опасным для здоровья. Также его плотность больше, чем у воздуха, что означает, что он не может обеспечить подъемную силу.

Основные характеристики сернистого газа:

• Молекулярная масса: 64 г/моль
• Плотность: около 2.927 кг/м³ при 0°C и 1 атмосфере
• Подъемная сила: плотность сернистого газа значительно больше плотности воздуха, поэтому он не будет поднимать шар. Кроме того, его токсичность делает его непригодным для использования.

Расчет подъемной силы

Подъемная сила газа рассчитывается по принципу Архимеда, который гласит, что подъемная сила пропорциональна разности плотности газа и плотности воздуха, умноженной на объем шара.

Формула для подъемной силы:

где:

• $V$ — объем шара,
• $\rho_{\text{воздуха}}$ — плотность воздуха (примерно 1.225 кг/м³),
• $\rho_{\text{газа}}$ — плотность газа (для каждого газа),
• $g$ — ускорение свободного падения (около 9.81 м/с²).

Для сравнения плотностей:

• Плотность гелия: 0.179 кг/м³
• Плотность азота: 1.165 кг/м³
• Плотность сернистого газа: 2.927 кг/м³

Из расчета видно, что гелий обеспечит наибольшую подъемную силу, поскольку разница между плотностями гелия и воздуха (1.225 - 0.179 = 1.046 кг/м³) намного больше, чем разница между воздухом и другими газами.

Итог:

Наилучший выбор для наполнения шара для воздухоплавания — это гелий, так как он имеет наибольшую подъемную силу среди предложенных газов и является безопасным для использования.

• Азот не подходит, так как его плотность почти равна плотности воздуха, и он не создает подъемной силы.
• Сернистый газ не подходит из-за своей высокой плотности и токсичности.