Aria

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Simbolo alchemico utilizzato per indicare l'aria.

L'aria è la miscela di aeriformi (gas e vapori) costituente l'atmosfera terrestre.

In un contesto non scientifico, l'aria è uno dei quattro elementi "classici" (aria, acqua, terra, fuoco).

Etimologia[modifica | modifica sorgente]

Il termine "aria" deriva dal latino aer e dal greco ἀήρ, probabilmente correlato da una radice awer-. La parola è associata nelle varie lingue indoeuropee al vento, la luce e il cielo[1].

Composizione dell'aria[modifica | modifica sorgente]

L'aria secca al suolo è composta all'incirca per il 78% di azoto, per il 21% di ossigeno, per lo 0,96% di argon e per lo 0,04% di anidride carbonica, più altri componenti in quantità minori.

L'aria cosiddetta aria umida può contenere fino a un 7% di vapore acqueo; tale percentuale dipende dal tasso di umidità relativa dell'aria e dalla temperatura ed è limitata dalla pressione di vapore saturo dell'acqua. La massima percentuale contenibile dipende dalla temperatura, varia da valori prossimi allo 0% (per una temperatura pari a -40 °C), a circa 0,5% (a 0 °C), fino al 5-7% (intorno ai 40 °C).

Il tasso di diossido di carbonio (anidride carbonica) risulta molto variabile negli ultimi tempi. In particolare le attività umane (industria, inquinamento, combustione, deforestazione, ecc.) hanno prodotto nell'ultimo secolo un grosso incremento di questa percentuale, passata da circa 280 ppm nel 1900 a 315 ppm nel 1970 e a 350 ppm (0,035%) negli ultimi anni. La concentrazione di tale componente sembra essere (insieme a quella del metano ed altri gas) uno dei responsabili principali dell'effetto serra.

Infine, mentre la pressione dell'aria cambia fortemente con l'altitudine (si riduce a 1/2 a circa 5.500 m, a 1/10 a 16.000 m e a 1/100 a 32.000 m), la composizione percentuale dei principali costituenti (azoto, ossigeno e gas rari) non subisce variazioni fino a 80-100 km. Questo perché esistono turbolenze su larga scala che ne provocano un continuo rimescolamento. Al di sopra di tale quota la radiazione solare provoca una dissociazione dei gas, che passano dallo stato molecolare a quello atomico, e varie reazioni chimiche fanno variare considerevolmente la sua composizione.[2]

Composizione dell'atmosfera terrestre
Composizione dell'aria secca
Nome Formula Proporzione o frazione molare[ppm 1]  % (m/m)
Azoto N2 78,08 % 75,37 %
Ossigeno O2 20,95 % 23,1 %
Argon Ar 0,934 % 1,41 %
Diossido di carbonio CO2 394 ppm (gennaio 2013)[3]
Neon Ne 18,18 ppm
Elio He 5,24 ppm
Monossido di azoto NO 5 ppm
Kripton Kr 1,14 ppm
Metano CH4 1 / 2 ppm
Idrogeno H2 0,5 ppm
Ossido di diazoto N2O 0,5 ppm
Xeno Xe 0,087 ppm
Diossido di azoto NO2 0,02 ppm
Ozono O3 da 0 a 0,01 ppm
Radon Rn 6 × 10-14 ppm
  1. ^ 1 ppm (parte per milione) = 0,0001 %

Indice di rifrazione dell'aria[modifica | modifica sorgente]

L'espressione per l'indice di rifrazione dell'aria alle condizioni standard è:

n_s = 1 + 643{,}28\cdot 10^{-7} + \frac{294981\cdot 10^{-7}}{(146 - \sigma^2)} + \frac{2554\cdot 10^{-7}}{(41 - \sigma^2)}

dove sigma è il reciproco della lunghezza d'onda in nanometri, ed è valida per aria secca con 0.03% di anidride carbonica ad una pressione di 101325 Pa e temperatura di 15 °C.

Esistono delle formule di correzione per ottenere l'indice di rifrazione a diverse temperature o pressioni.

Caratteristiche e proprietà fisiche dell'aria secca [4][modifica | modifica sorgente]

Si riportano alcune delle proprietà dell'aria secca.

Il peso molecolare medio dell'aria secca è possibile valutarlo come media pesata dei gas componenti. Limitandoci infatti ai suoi componenti principali (Azoto, Ossigeno, Argon) si ottiene:

  N_2 78% + O_2 21% + Ar 1% = 21,84 + 6,72 + 0,40 = 28,96  g/mol

Per il calcolo della costante del gas aria basta rapportare la costante universale dei gas con il peso molecolare medio, appena ricavato, ottenendo

 R_u/Pm = 8,314/28,96 = 0,287 J/(g K) = 287 J/(kg K)

Nelle condizioni ambientali di temperatura e pressione, l'aria segue la legge dei gas perfetti, cui si può fare ricorso per valutare la densità dell'aria:   d= P/(R_a*T)

A titolo di esempio si voglia calcolare la densità dell'aria alla temperatura di 15°C (288,15 K) e alla pressione di 1 atm (101325 Pa). Applicando la formula, si ha:

  d= P/(R_a*T) =101325/(287*288,15)=1,225 kg/m^3

Sperimentalmente si osserva che i calori specifici dell'aria secca, sono funzioni della temperatura.

La seguente tabella mostra alcune proprietà fisiche dell'aria, in funzione della temperatura alla pressione di 1 atm.

Proprietà fisiche dell'aria (bassa temperatura e 1 atm)
Temperatura

(°C)

Densità \rho

(kg/m³)

Viscosità dinamica

\mu (Pa·s)

Viscosità cinematica

\nu=\frac{\mu}{\rho} (m2/s)

Calore Spec. P cost.

c (kJ/(kg K))

Calore Spec. V cost.

c (kJ/(kg K))

K=cp/cv
0 1,293 1,71×10−5 1,32×10−5 1,0037 0,7166 1,401
10 1,247 1,76×10−5 1,41×10−5 1,0041 0,7170 1,400
15 1,225 1,78×10−5 1,45×10−5 1,0043 0,7172 1,400
20 1,205 1,81×10−5 1,50×10−5 1,0045 0,7174 1,400
30 1,165 1,86×10−5 1,60×10−5 1,0050 0,7179 1,400
40 1,127 1,90×10−5 1,69×10−5 1,0055 0,7184 1,400
60 1,060 2,00×10−5 1,88×10−5 1,0068 0,7197 1,399
80 1,000 2,09×10−5 2,09×10−5 1,0084 0,7213 1,398
100 0,946 2,18×10−5 2,30×10−5 1,0104 0,7233 1,397

La seguente tabella mostra le precedenti proprietà fisiche dell'aria, ad alta temperatura. Si presti attenzione alla differente unità di misura della temperatura.

Si osserva una significativa variazione nel parametro K.

Proprietà fisiche dell'aria (alta temperatura e 1 atm)
Temperatura

(K)

Densità \rho

(kg/m³)

Viscosità dinamica

\mu (Pa·s)

Viscosità cinematica

\nu=\frac{\mu}{\rho} (m2/s)

Calore Spec. P cost.

c (kJ/(kg K))

Calore Spec. V cost.

c (kJ/(kg K))

K=cp/cv
400 0,8824 2,286×10−5 2,591×10−5 1,0135 0,7264 1,395
500 0,7060 2,670×10−5 3,782×10−5 1,0295 0,7424 1,387
600 0,5883 3,017×10−5 5,128×10−5 1,0511 0,7640 1,376
800 0,4412 3,624×10−5 8,214×10−5 1,0987 0,8116 1,354
1000 0,3530 4,153×10−5 1,176×10−4 1,1411 0,8540 1,336
1500 0,2353 5,264×10−5 2,236×10−4 1,2112 0,9241 1,311
2000 0,1765 6,23×10−5 3,53×10−4 1,2505 0,9634 1,298

Frazionamento dell'aria[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Frazionamento dell'aria.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Online Etymology Dictionary
  2. ^ L'atmosfera e i suoi fenomeni
  3. ^ CO2 Now
  4. ^ "Termodinamica e trasmissione del calore - Yunus A. Ҫengel"

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

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