Aria

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Aria
Numero CAS 132259-10-0
Caratteristiche generali
Composizione aria secca (privata dal vapore acqueo): azoto (78%mol), ossigeno (21%mol), argon (1%mol)[1]
Aspetto incolore
Stato di aggregazione (in c.s.) gassoso
Proprietà chimico-fisiche
Densità (kg·m−3, in c.s.) 1,225 kg/m3 (15 °C, 1 atm)
Temperatura di ebollizione (K) -190 °C[2] (1 atm)
Viscosità cinematica (m2/s a 20 °C °C) 1,50×10−5 m2/s
Viscosità dinamica (mPa·s a 20 °C °C) 1,81×10−5 Pa·s
Conduttività termica (W/m·K) 0,0205 kcal/(m h °C)[3]
Simbolo alchemico utilizzato per indicare l'aria.

L'aria è una miscela di sostanze aeriformi (gas e vapori) che costituisce l'atmosfera terrestre.[2] È un componente essenziale per la vita della maggior parte degli organismi animali e vegetali[4] e in particolare per la vita umana, per cui la sua salvaguardia è fondamentale ed è regolata da apposite norme legislative.

Inoltre tale miscela gassosa trova molte applicazioni nell'ambito industriale e nell'uso quotidiano, in particolare sotto forma di aria compressa (cioè sottoposta ad elevata pressione) e aria liquida.

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[5].

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Aria (elemento).

Nel passato all'aria furono dati diversi significati religiosi: ad esempio fu considerata al pari di una divinità dai Babilonesi e dagli egiziani e come sede delle anime nell'Antica Grecia.[3]

L'analisi chimica dell'aria venne svolta per la prima volta nel 1772 da Antoine-Laurent de Lavoisier,[4] che chiamò "ossigeno" il componente dell'aria necessario agli esseri viventi e "azoto" il componente inerte.

Nel 1895 Carl von Linde riuscì a liquefare per la prima volta l'aria attraverso il cosiddetto "processo Linde".[4] A questo seguì il processo Claude (messo a punto nel 1902 da Georges Claude), che è un processo di liquefazione più complesso ed efficiente allo stesso tempo.

Composizione dell'aria[modifica | modifica sorgente]

La composizione dell'aria è variabile in generale a seconda della quota considerata. Per una quota fissata, il rapporto tra la quantità di azoto e la quantità di ossigeno contenuti nell'aria rimane pressoché costante grazie all'equilibrio tra il consumo e l'apporto continuo di tali elementi associati al ciclo dell'ossigeno e al ciclo dell'azoto;[3] invece le concentrazioni di vapore acqueo e di anidride carbonica sono variabili.[3] Per tale motivo si indicano spesso le proprietà dell'aria privata dal vapore acqueo, che viene detta "aria secca", mentre in caso contrario si parla di "aria umida".

L'aria secca al suolo è composta all'incirca per il 78% di azoto (N2), per il 21% di ossigeno (O2), per lo 0,96% di argon (Ar) e per lo 0,04% di anidride carbonica (CO2), più altri componenti in quantità minori, tra cui anche particelle solide in sospensione, che costituiscono il cosiddetto "pulviscolo atmosferico".[2][3]

L'aria umida può contenere fino al 7% in volume di vapore acqueo; la percentuale di vapore acqueo nell'aria corrisponde al tasso di umidità relativa dell'aria e dipende dalla temperatura. Il valore massimo di vapore acqueo che l'aria può contenere in condizioni di equilibrio è quello corrispondente alle condizioni di saturazione; al di sopra di tale valore massimo, il vapore acqueo tende spontaneamente a condensare. Tale valore massimo dipende dalla temperatura e 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 anidride carbonica risulta molto variabile a seconda del periodo temporale considerato. 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.[6]

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)[7]
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%

Sostanze inquinanti[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Inquinamento atmosferico.

La qualità dell'aria ha un impatto notevole sull'ecosistema e sulla salute umana. Il fattore più importante per determinare la qualità dell'aria è la sua composizione. In particolare la percentuale di azoto e ossigeno presenti nell'aria sono praticamente costanti e corrispondono insieme al 99% della composizione dell'aria secca, per cui gli inquinanti presenti nell'aria sono presenti in piccole quantità, misurabili in termini di parti per milione (ppm) o parti per miliardo (ppb).[8] Tra questi inquinanti si annoverano:

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

Alcune delle proprietà dell'aria secca sono:[9]

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 (1 atm)[9]
Temperatura
(°C)
Densità
(kg/m3)
Viscosità dinamica
(Pa·s)
Viscosità cinematica
(m2/s)
cp
(kJ/kg K)
cv
(kJ/kg 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
126.85 0,8824 2,286×10−5 2,591×10−5 1,0135 0,7264 1,395
226.85 0,7060 2,670×10−5 3,782×10−5 1,0295 0,7424 1,387
326.85 0,5883 3,017×10−5 5,128×10−5 1,0511 0,7640 1,376
526.85 0,4412 3,624×10−5 8,214×10−5 1,0987 0,8116 1,354
726.85 0,3530 4,153×10−5 1,176×10−4 1,1411 0,8540 1,336
1226.85 0,2353 5,264×10−5 2,236×10−4 1,2112 0,9241 1,311
1726.85 0,1765 6,23×10−5 3,53×10−4 1,2505 0,9634 1,298

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.

Trattamenti dell'aria[modifica | modifica sorgente]

Compressione[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Aria compressa.
Compressore d'aria, portatile.

L'aria compressa (cioè aria portata ad elevata pressione) può essere realizzata attraverso ventilatori (per pressioni di poco superiori a quella atmosferica), soffianti (per pressioni moderate) e compressori (per pressioni elevate).[2]

Liquefazione[modifica | modifica sorgente]

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

Frazionamento[modifica | modifica sorgente]

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

Purificazione[modifica | modifica sorgente]

Schema di un filtro HEPA per la purificazione dell'aria.

L'aria, oltre a essere costituita da componenti gassosi, contiene anche particelle solide e vapore acqueo. Quando viene utilizzata in ambito industriale, la percentuale di componenti solidi e liquidi nell'aria può aumentare considerevolmente, dunque è necessario ricorrere a operazioni di purificazione dell'aria per abbattere tali componenti, che possono avere conseguenze indesiderate per il processo industriale in esame (ad esempio nel caso in cui vadano a contaminare il prodotto, riducendone la purezza e il valore commerciale) e per l'ambiente circostante (ad esempio nel caso in cui i solidi o liquidi dispersi nell'aria siano sostanze inquinanti).[10]

Per lo svolgimento della purificazione dell'aria, possono essere utilizzate differenti apparecchiature, tra cui: cicloni, torri di lavaggio, filtri a maniche e precipitatori elettrostatici.[10]

Nel caso in cui invece le sostanze inquinanti presenti nell'aria siano gassose, la purificazione può avvenire tramite assorbimento gas-liquido,[10] adsorbimento,[10] oppure sottoponendo la corrente gassosa a reazioni chimiche che possono essere attivate per via termica (cioè riscaldando l'aria ad elevata temperatura) o catalitica (cioè facendo passare l'aria attraverso un catalizzatore).[10] In tali procedimenti possono essere accompagnati da processi biochimici, cioè può esserci l'intervento di microrganismi che sono in grado di metabolizzare le sostanze inquinanti convertendole in prodotti non inquinanti.[10]

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

L'aria può essere utilizzata per il raffreddamento di dispositivi (raffreddamento ad aria), come isolante termico (ad esempio nei doppi vetri) e nello svolgimento di molti processi chimici (a causa del suo contenuto di ossigeno, che funge da reagente ad esempio nelle reazioni di ossidazione).

L'aria compressa viene utilizzata in una moltitudine di processi tecnologici, tra cui ad esempio la verniciatura, il trasporto pneumatico per la movimentazione delle merci e l'azionamento di comandi a distanza.[2][4] Viene inoltre utilizzata per riempire bombole per applicazioni subacquee e camere d'aria di pneumatici e gommoni.

L'aria liquida viene utilizzata come refrigerante[2] e per ottenere azoto liquido, ossigeno liquido e gas rari attraverso il processo di frazionamento dell'aria.[2]

Inoltre l'aria calda è alla base del funzionamento della mongolfiera.

Percezione visiva della presenza dell'aria[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Prospettiva aerea.
Esempio di paesaggio in cui è possibile vedere gli effetti della prospettiva aerea e della prospettiva del colore associate alla presenza dell'aria.

Le prime descrizioni dell'aria in ambito pittorico si devono a Leonardo da Vinci, che sottolineò come a causa della presenza dell'aria gli oggetti più lontani di un paesaggio appaiono più sfumati e dai colori più tendenti all'azzurro rispetto agli oggetti più vicini. Inoltre siccome l'aria è più densa vicino al suolo, tale effetto è meno evidente nel caso di alture, per cui le cui cime delle alture presentano colori più nitidi e più accesi rispetto alla base. Tali effetti prendono il nome di "prospettiva aerea" e "prospettiva del colore".

In particolare il colore azzurro delle grandi masse d'aria non è associata all'azoto o all'ossigeno, che sono i maggiori componenti dell'aria, bensì ai gas rari, presenti in quantità assai minori: per tale motivo il colore azzurro è visibile solo nel caso di grandi masse di aria.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ A tali componenti si aggiungono altri componenti gassosi, liquidi e solidi, come riportato in seguito nella voce.
  2. ^ a b c d e f g "Aria", Enciclopedia Treccani.it
  3. ^ a b c d e "Aria", Sapere.it
  4. ^ a b c d "Aria", Enciclopedia Zanichelli
  5. ^ Online Etymology Dictionary
  6. ^ L'atmosfera e i suoi fenomeni
  7. ^ CO2 Now
  8. ^ a b c d Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, op. cit., cap. 1
  9. ^ a b Çengel, op. cit.
  10. ^ a b c d e f Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, op. cit., cap. 7

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Yunus A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, McGraw-Hill.
  • (EN) AAVV, "Air", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2002, DOI:10.1002/14356007.b07_403.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]