Aire

Aire
número CAS 132259-10-0
Características generales
Composición aire seco (privado de vapor de agua ): nitrógeno (78 % mol), oxígeno (21 % mol), argón (1 % mol) [1]
Apariencia incoloro
Estado de agregación (en cs ) gaseoso
Propiedades fisicoquímicas
Densidad (kg m −3 , en cs ) 1.225 kg/m³ (un15  °C y~ 1 013  hPa )
Punto de ebullición ( K ) −190  °C [2] (1013 hPa)
Viscosidad cinemática ( m 2 / s a ​​20 ° C) 1,50 × 10 −5   / s
Viscosidad dinámica ( mPa· s a 20 °C) 1,81 × 10 −5  Pa s _
Conductividad térmica ( W / m K ) 0,02422 W/(m·K)

El aire es una mezcla de sustancias gaseosas ( gases y vapores ) que componen la atmósfera terrestre . [2] Es indispensable para la vida de la mayoría de los organismos animales y vegetales [3] , en particular para la vida humana , por lo que su protección es fundamental y está regulada por leyes específicas . Esta mezcla gaseosa encuentra muchas aplicaciones en el campo industrial y en el uso diario, en particular en forma de aire comprimido (es decir, sometido a presión ) y aire líquido .

En el contexto protocientífico de la tradición filosófica, el aire es uno de los cuatro elementos primarios ( aire , agua , tierra y fuego ).

Etimología

El término aria deriva del latín āera , nominativo āer , del griego ἀήρ , aér , de etimología incierta, probablemente relacionado con una raíz awer . La palabra se asocia en las diversas lenguas indoeuropeas con viento , luz y cielo [4] .

Historia

En el pasado, al aire se le daban diferentes significados religiosos: por ejemplo, era considerado como una divinidad por los babilonios y egipcios y como el asiento de las almas en la Antigua Grecia . [5]

El análisis químico del aire fue realizado por primera vez en 1772 por Antoine-Laurent de Lavoisier , [3] quien denominó " oxígeno " al componente del aire necesario para los seres vivos y " nitrógeno " al componente inerte .

En 1895 Carl von Linde fue capaz de licuar el aire por primera vez mediante el llamado “ proceso de Linde ”. [3] En 1902 siguió el proceso Claude (desarrollado por Georges Claude ), que es un proceso de licuefacción más complejo y más eficiente al mismo tiempo.

Composición del aire

La composición del aire es variable dependiendo de la altitud. Para una cuota fija, la relación entre la cantidad de nitrógeno y la cantidad de oxígeno contenida en el aire permanece casi constante gracias al equilibrio entre el consumo y el suministro continuo de estos elementos asociados con el ciclo del oxígeno y el nitrógeno . [5] por otro lado, las concentraciones de vapor de agua y dióxido de carbono son variables. [5] Por esta razón, a menudo indicamos las propiedades del aire desprovisto de vapor de agua, que se denomina "aire seco", mientras que en caso contrario hablamos de " aire húmedo ".

El aire seco del suelo se compone de aproximadamente 78,09 % de nitrógeno (N 2 ), 20,9 % de oxígeno (O 2 ), 0,93 % de argón (Ar) y 0,04 % de dióxido de carbono (CO 2 ), [6] más otros componentes en cantidades más pequeñas, incluyendo partículas sólidas en suspensión , que constituyen el llamado “ polvo atmosférico ”. [2] [5]

El aire húmedo es una mezcla aeriforme que contiene aire seco y vapor de agua ; la cantidad máxima de vapor de agua contenida, en equilibrio, es aquella cantidad que alcanza una presión parcial igual a la presión de vapor: en este caso estamos hablando de saturación que corresponde a una humedad relativa del 100%. La humedad absoluta se mide en gramos (de vapor de agua) por kilogramo (de aire seco). La humedad relativa, que suele ser la cantidad de interés, es la relación entre la humedad absoluta real y la humedad absoluta en condiciones de saturación a esa temperatura y presión. Por ejemplo, la humedad absoluta en condiciones de saturación es de 7,6 g: kg a 10 °C, 10,7 g: kg a 15 °C, 15,2 g: kg a 20 °C, 20,2 g: kg a 25 °C, de 27,3 g: kg a 30°C y de 36,4 a 35°C (valores aproximados a 1013,25hPa de presión). Cabe señalar que al acercarse a la temperatura de ebullición del agua (100 °C a 1013,25 hPa) el valor de la humedad absoluta en condiciones de saturación aumenta rápidamente tendiendo, idealmente, al infinito porque a esa temperatura la cantidad de vapor de agua que podría estar presente en el aire es ilimitado. Entonces si tenemos un aire con una humedad absoluta de 11 g:kg a 25°C la humedad relativa será de 11:20.2 = 54.4% lo que corresponde a una situación percibida como bienestar; el mismo aire húmedo llevado a 35°C se volverá "seco" de hecho la humedad relativa será de 11:36.4 = 30.2% mientras que si lo llevamos a 15°C se volverá "húmedo" ya que la humedad relativa será de 11: 15,2 = 72,4%; enfriándolo más hasta 10 °C obtendremos una condición de saturación (humedad relativa 100%) con una humedad absoluta de 7,6 g: kg y una cantidad de condensación (agua devuelta al estado líquido) igual a 11-7,6 = 3,4 g: kg.

La tasa de dióxido de carbono es muy variable dependiendo del período de tiempo considerado. En particular, las actividades humanas ( industria , contaminación , combustión y deforestación ) han producido un gran aumento de este porcentaje en el último siglo, que pasó de unas 280  ppm en 1900 a 315 ppm en 1970 y a más de 400 ppm (0,04%) en últimos años. La concentración de este componente parece ser (junto con la del metano y otros gases) una de las principales causas del efecto invernadero .

Finalmente, mientras que la presión del aire cambia fuertemente con la altitud (se reduce a alrededor del 50%~ 5,5  km , 10 % a los 16 km y 1 % a los 32 km), la composición porcentual de los componentes principales (nitrógeno, oxígeno y gases raros) no cambia hasta los 80-100 km. Esto se debe a que existe una turbulencia a gran escala que hace que continúe moviéndose. Por encima de esta altitud la radiación solar provoca una disociación de los gases, que pasan del estado molecular al atómico, y diversas reacciones químicas hacen que su composición varíe considerablemente. [7]

Composición del aire seco
Nombre de pila Fórmula Proporción o fracción molar [ppm 1] % (m/m)
Nitrógeno N 2 78.084% 75,37%
Oxígeno O 2 20.9476% 23,1%
Argón Arkansas 0.934% 1,41%
Dióxido de carbono CO2 _ 413,93 ppm (octubre de 2021) [8]
Neón Ninguno de los dos 18,18 ppm
helio Él 5,24 ppm
monóxido de nitrógeno NO 5 ppm
Criptón kr 1,14 ppm
Metano Canal 4 1 - 2 ppm
Hidrógeno H 2 0,5 ppm
Oxido de nitrógeno N2O _ _ 0,5 ppm
Xenón Xe 0,087 ppm
Dioxido de nitrogeno Nº 2 0,02 ppm
Ozono O 3 0 a 0,01 ppm
Radón Rn 6 × 10 −14 ppm
Correlación entre fracciones molares y fracción de masa
Molécula Fracción molar

[mol: mol]

Masa molar

[g: moles]

Masa de la fracción

[g: moles]

Fracción en masa

[g:g]

Nitrógeno N 2 0.7808 78,08% 2x14,0067 = 28.01 0,7808 × 28,01 = 21.8702 21,8702: 28,9633 = 0.7551 75,51%
Oxígeno O 2 0.2095 20,95% 2x15,9994 = 32.00 0,2095 x 32,00 = 6.7040 6,7040: 28,9633 = 0.2315 23,15%
Argón Arkansas 0.0093 0,93% 1 x 39,948 = 39.95 0,0093 × 39,95 = 0.3715 0,3715: 28,9633 = 0.0128 1,28%
Dióxido de carbono CO2 _ 0.0004 0,04% 12,0107 + 2 x 15,9994 = 44.01 0,0004 × 44,01 = 0.0176 0,0176: 28,9633 = 0.0006 0,06%
TOTAL 1.0000 100% --- --- --- 28.9633 --- 1.0000 100%
  1. ^ 1 ppm ( parte por millón ) = 0,0001 %

Contaminantes

La calidad del aire tiene un gran impacto en el ecosistema y la salud humana . El factor más importante para determinar la calidad del aire es su composición. En particular, los porcentajes de nitrógeno y oxígeno presentes en el aire son prácticamente constantes y juntos corresponden al 99% de la composición del aire seco, por lo que los contaminantes presentes en el aire están presentes en pequeñas cantidades, medibles en términos de partes por millón ( ppm) o partes por billón (ppb). [9] Estos contaminantes incluyen:

Características físicas y propiedades del aire seco

Algunas de las propiedades del aire seco son: [10]

El peso molecular promedio del aire seco se puede evaluar como el promedio ponderado de los gases componentes. Para una demostración, podemos limitarnos a sus componentes principales (Nitrógeno [ ], Oxígeno [ ], Argón [ ]). Indicando con y con respectivamente la fracción molar y la masa molecular de la sustancia , las propiedades de estos gases son:

La masa molecular se calcula:

Para el cálculo de la constante de los gases del aire es suficiente comparar la constante universal de los gases con el peso molecular medio, recién obtenido, obteniendo

En las condiciones ambientales de temperatura y presión, el aire sigue la ley de los gases ideales, que se puede utilizar para evaluar la densidad del aire:

Tenga en cuenta que la densidad es una función de la presión y la temperatura. A modo de ejemplo queremos calcular la densidad del aire a la temperatura de15  ° C (288,15  K ) y a una presión de 1 atmósfera (101 325 Pa). Aplicando la formula tenemos:

Experimentalmente se observa que los calores específicos del aire seco son funciones de la temperatura.

La siguiente tabla muestra algunas propiedades físicas del aire, en función de la temperatura a una presión de 1 atm.

Propiedades físicas del aire (1 atm) [10]
Temperatura
( °C )
Densidad
(kg/m³)
Viscosidad dinámica
(Pa·s)
Viscosidad cinemática
(m 2 / s)
c p
(kJ / kg·K)
c v
(kJ / kg·K)
do pag ⁄ do v
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

Índice de refracción del aire

La expresión del índice de refracción del aire en condiciones estándar es:

donde es el recíproco de la longitud de onda en nanómetros, y es válido para aire seco con 0.03% de dióxido de carbono a una presión de101 325  Pa y temperatura de15  ° C

Existen fórmulas de corrección para obtener el índice de refracción a diferentes temperaturas o presiones.

Tratamientos de aire

Compresión

El aire comprimido (es decir, aire llevado a alta presión ) puede obtenerse mediante ventiladores (para presiones ligeramente superiores a la atmosférica), sopladores (para presiones moderadas) y compresores (para presiones altas). [2]

Licuefacción

Fraccionamiento

Purificación

El aire, además de estar formado por componentes gaseosos, también contiene partículas sólidas y vapor de agua. Cuando se utiliza en el campo industrial, el porcentaje de componentes sólidos y líquidos en el aire puede aumentar considerablemente, por lo que es necesario recurrir a operaciones de purificación del aire para descomponer estos componentes, lo que puede tener consecuencias indeseables para el proceso industrial en cuestión (por por ejemplo en el caso de que contaminen el producto, reduciendo su pureza y valor comercial) y para el medio ambiente circundante (por ejemplo en el caso de que los sólidos o líquidos dispersos en el aire sean contaminantes). [11]

Para llevar a cabo la purificación del aire se pueden utilizar diferentes equipos , entre ellos: ciclones , torres de lavado, filtros de mangas y precipitadores electrostáticos . [11]

Si, por el contrario, los contaminantes presentes en el aire son gaseosos, la depuración puede realizarse mediante absorción gas-líquido , [11] adsorción , [11] o sometiendo la corriente gaseosa a reacciones químicas que pueden activarse térmicamente ( es decir, calentando el aire a una temperatura alta ) o catalítico (es decir, haciendo pasar el aire a través de un catalizador ). [11] En estos procesos pueden estar acompañados de procesos bioquímicos , es decir, puede existir la intervención de microorganismos que son capaces de metabolizar los contaminantes convirtiéndolos en productos no contaminantes. [11]

Aplicaciones

El aire se puede utilizar para dispositivos de refrigeración ( aircooling ), como aislante térmico (por ejemplo, en doble acristalamiento ) y en la realización de muchos procesos químicos (debido a su contenido en oxígeno , que actúa como reactivo , por ejemplo, en reacciones de oxidación ).

El aire comprimido se utiliza en multitud de procesos tecnológicos, entre los que se incluyen, por ejemplo , la pintura , el transporte neumático para la manipulación de mercancías , el frenado de vehículos ferroviarios y el control remoto. [2] [3] También se utiliza para llenar cilindros para aplicaciones submarinas y cámaras de aire de neumáticos y botes inflables .

El aire líquido se utiliza como refrigerante [2] y para obtener nitrógeno líquido , oxígeno líquido y gases raros a través del proceso de separación del aire . [2]

Además, el aire caliente es la base para el funcionamiento del globo .

Percepción visual de la presencia de aire

Las primeras descripciones del aire en el campo pictórico se deben a Leonardo da Vinci , quien destacó cómo, debido a la presencia del aire, los objetos más alejados de un paisaje aparecen más matizados y tienen más colores azules que los objetos más cercanos. Además, dado que el aire es más denso cerca del suelo, este efecto es menos evidente en el caso de las colinas, en las que las cimas de las colinas tienen colores más nítidos y brillantes que la base. Estos efectos se denominan " perspectiva aérea " y "perspectiva de color".

En particular, el color azul de las grandes masas de aire no está asociado con el nitrógeno o el oxígeno, que son los principales componentes del aire, sino con gases raros, presentes en cantidades mucho más pequeñas: por esta razón, el color azul es visible solo en el caso de grandes masas de aire.

Notas

  1. ^ A estos componentes se adicionan otros componentes gaseosos, líquidos y sólidos, como se indica a continuación en el ítem.
  2. ^ a b c d e f g Aria , en Encyclopedia Treccani.it .
  3. ^ a b c d Aria , en dictionary.repubblica.it , Enciclopedia Zanichelli. Consultado el 2 de junio de 2015 (archivado desde el original el 17 de mayo de 2014) .
  4. ^ Diccionario de etimología en línea , en etymonline.com .
  5. ^ a b c d aria , en Sapere.it , De Agostini .
  6. ^ Sapere.it - ​​​​"La composición química de la atmósfera"
  7. ^ La atmósfera y sus fenómenos , en Educationonline.it . Consultado el 16 de septiembre de 2009 (archivado desde el original el 28 de diciembre de 2011) .
  8. ^ CO 2 Ahora , en co2now.org .
  9. ^ a b c d Enciclopedia de química industrial de Ullmann , cap. 1 .
  10. ^ a b Çengel .
  11. ^ a b c d e f Enciclopedia de química industrial de Ullmann , cap. 7 .

Bibliografía

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