Air
Modèle:Voir homonymes Modèle:Infobox Chimie
L'air est un mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est normalement incolore, invisible et inodore.
Composition
Modèle:Voir aussi L'air sec au voisinage du sol est un mélange gazeux homogène. Il est approximativement composé en fraction molaire ou en volume de :
- 78,08 % de diazote Modèle:N2 ;
- 20,95 % de dioxygène Modèle:O2 ;
- moins de 1 % d'autres gaz dont :
- des gaz rares, principalement :
- du dioxyde de carbone (Modèle:CO2) : environ 0,04 % (Modèle:Nb en Modèle:Date-<ref name=":0">{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Recent Global CO2, sur noaa.gov (consulté le 20 juillet 2022).</ref>,<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} The keeling curve, sur keelingcurve.ucsd.edu (consulté le 23 avril 2015).</ref>,<ref>Concentration de CO2 dans l'atmosphère terrestre.</ref>,<ref>Concentration du CO2 mesurée à Mauna Loa (Hawaï), NOAA.</ref>) ;
- du méthane : 0,000187 % (Modèle:Nb en 2019<ref>Concentration du méthane mesurée à Mauna Loa (Hawaï), NOAA.</ref>).
Il contient aussi des traces de dihydrogène : 0,000072 % (Modèle:Nb) et d'ozone, ainsi qu'une présence infime de radon<ref group=alpha>L'air fortement asséché contient en pratique encore des traces de vapeur d'eau.</ref>. Il peut aussi contenir du dioxyde de soufre, des oxydes d'azote, de fines substances en suspension sous forme d'aérosol, des poussières et des micro-organismes.
La plupart du temps, l'air de l'environnement terrestre est humide car il contient de la vapeur d'eau. Au voisinage du sol, la quantité de vapeur d'eau est très variable. Elle dépend des conditions climatiques, et en particulier de la température. La pression partielle de vapeur d'eau dans l'air est limitée par sa pression de vapeur saturante qui varie fortement avec la température :
| Température de l'air | Modèle:Tmp | Modèle:Tmp | Modèle:Tmp | Modèle:Tmp | Modèle:Tmp | Modèle:Tmp |
| % de vapeur d'eau
pour une pression d'air de Modèle:Nb |
0 à 0,2 | 0 à 0,6 | 0 à 1,2 | 0 à 2,4 | 0 à 4,2 | 0 à 7,6 |
Le pourcentage de vapeur d'eau présent dans l'air est mesuré par le taux d'hygrométrie, élément important pour les prévisions météorologiques. Il existe plusieurs grandeurs pour décrire l'hygrométrie : l'humidité absolue, qui correspond à la masse de vapeur d'eau par volume d'air, et l'humidité relative, qui correspond au pourcentage de la pression partielle de vapeur d'eau par rapport à la pression de vapeur saturante.
Le taux de dioxyde de carbone varie avec le temps. D'une part, il subit une variation annuelle d'environ Modèle:Nb (partie par million en volume) d'amplitude. D'autre part, le taux moyen annuel augmente de Modèle:Nb par an. De l'ordre de Modèle:Nb (0,0384 %) à mi-2008, il était de Modèle:Nb avant la révolution industrielle, de Modèle:Nb en 1958, de Modèle:Nb en 1974 et de Modèle:Nb en 1990. Ce gaz à effet de serre joue un rôle important dans le réchauffement climatique de la planète.
Le méthane est un autre gaz à effet de serre majeur dont le taux augmente avec le temps : Modèle:Nb (Modèle:Nb) à l'époque préindustrielle, Modèle:Nb en 1985, Modèle:Nb en 1992 et Modèle:Nb en 1996.
Jusqu'à environ Modèle:Nb d'altitude, la composition de l'air sec est très homogène, la seule variation importante de la composition de l'air étant celle de la teneur en vapeur d'eau.
Tableaux
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Les proportions massiques peuvent être évaluées en multipliant les proportions volumiques par le rapport de la masse molaire du gaz considéré divisé par la masse molaire de l'air soit Modèle:Nb, par exemple dans le cas du Modèle:CO2. Ce rapport n'est pas négligeable puisqu'il vaut Modèle:Nobr d'où la teneur massique en Modèle:CO2 dans l'air égale à Modèle:Nobr.
Masse volumique
L'air étant un gaz compressible, sa masse volumique (en Modèle:Nb) est fonction de la pression, de la température et du taux d'humidité.
Pour de l'air sec sous pression atmosphérique normale (Modèle:Nb) :
On prend généralement Modèle:Nb à Modèle:Tmp et Modèle:Nb à Modèle:Tmp.
Ceci est généralisé (formule des gaz parfaits) en : <math>\rho=1,293\;\mathrm{kg/m^3}\cdot\frac{273,15\;\mathrm{K}}{T}\cdot\frac{P}{101\;325\;\text{Pa}}</math> (avec T en kelvins et P en pascals selon les conventions SI). Pour une température θ en degrés Celsius, la température T en kelvins est obtenue en ajoutant 273,15 à θ : Modèle:Nobr.
Potentiel de réchauffement global
Le potentiel de réchauffement global (PRG, Modèle:En anglais) ou équivalent Modèle:CO2 permet de mesurer la « nocivité » de chaque gaz à effet de serre.
Le tableau suivant donne la valeur du PRG pour les principaux gaz à effet de serre présents dans l'air :
| PRG | 1 (référence) | Modèle:Référence souhaitée | 23 | 310 | de Modèle:Nb | de Modèle:Nb | Modèle:Nb | Modèle:Nb |
| Gaz | dioxyde de carbone | vapeur d'eau | méthane | protoxyde d'azote (N2O) | chlorodifluorométhane (HCFC) | dichlorodifluorométhane (CFC) | tétrafluorure de carbone (CF4) | hexafluorure de soufre (SF6) |
Indice de réfraction
L'expression pour l'indice de réfraction de l'air « aux conditions standard » est<ref>Modèle:Lien web.</ref> : <math>n_{s} = 1 + 6,4328 \times 10^{-5} + \frac{2,94981 \times 10^{-2}}{146 - \sigma^{2}} + \frac {2,554 \times 10^{-4}}{41 - \sigma^{2}}</math>
- avec <math>\sigma = \frac{1\;000}{\lambda}</math> où <math>\lambda</math> est la longueur d'onde exprimée en nanomètres (nm), là où <math>\sigma</math> est la réciproque de la longueur d'onde en micromètres.
C'est pour l'air sec avec 0,03 % de dioxyde de carbone, à une pression de Modèle:Nb (Modèle:Nb de mercure) et une température de Modèle:Nb (Modèle:Tmp).
On peut obtenir n pour une température ou pression différente, en utilisant l'une des deux expressions suivantes :
- <math>n = 1 + (n_\text{s} - 1) \times \left(\frac{p} {p_\text{s}}\right) \times \left(\frac{T_\text{s}} {T}\right)</math>
avec :
- T, température exprimée en kelvins ;
- p, pression en pascals ;
- Ts, Modèle:Nb ;
- ps, Modèle:Nb ;
- ns, indice de réfraction de l'air donné ci-dessus,
ou :
- <math>n = 1 + \frac{(n_\text{s}-1) \times p \times ( 1 + p \times \beta_{(T)} ) \times (1+ T_s \times \alpha )}{ p_s \times ( 1 + p_s \times \beta_{15}) \times (1 + T \times \alpha) }</math>
avec :
- T, température en degrés Celsius ;
- Ts, Modèle:Tmp ;
- p, pression en mmHg ;
- ps, Modèle:Nb ;
- <math>\alpha</math>, 0,00366 KModèle:-1 ;
- <math>\beta_{(T)}</math>, (1,049 - 0,015 T) × Modèle:Nb ;
- <math>\beta_{15}</math>, Modèle:Nb ;
- ns, indice de réfraction de l'air donné ci-dessus.
Propriétés thermophysiques
D'après les tables publiées par Frank M. White, Heat and Mass transfer, Addison-Wesley, 1988.
avec :
- T, température en kelvins ;
- ρ, masse volumique ;
- μ, viscosité dynamique ;
- ν, viscosité cinématique ;
- Cp, chaleur massique à pression constante ;
- λ, conductivité thermique ;
- a, diffusivité thermique ;
- Pr, nombre de Prandtl.
La relation entre la température et la conductivité thermique de l'air, valable pour une température comprise entre Modèle:Nb et Modèle:Nb est la suivante<ref name="non trouvé" /> :
- <math>\lambda=1{,}5207\times 10^{-11}\ T^3-4{,}857\times 10^{-8}\ T^2+1{,}0184\times 10^{-4}\ T-3{,}9333\times 10^{-4}</math>
où :
- <math>T</math> : température exprimée en Modèle:Nb
- <math>\lambda</math> : conductivité thermique en Modèle:Nb
La relation entre la viscosité dynamique de l'air et la température est :
- <math> \mu=8{,}8848\times 10^{-15}\ T^3-3{,}2398\times 10^{-11}\ T^2+6{,}2657\times 10^{-8}\ T+2{,}3543\times 10^{-6}</math>
où :
La relation entre la viscosité cinématique de l'air et la température est :
- <math> \nu=-1{,}363528\times 10^{-14}\ T^3+1{,}00881778\times 10^{-10}\ T^2+3{,}452139\times 10^{-8}\ T-3{,}400747\times 10^{-6}</math>
où :
D'après les informations du WPI<ref>« Specific Heat of Air vs. Temperature » (graphique), sur users.wpi.edu.</ref>, la relation entre chaleur spécifique de l'air et la température est la suivante :
- <math>C_p=1{,}9327\times 10^{-10}\ T^4-7{,}9999\times 10^{-7}\ T^3+1{,}1407\times 10^{-3}\ T^2-4{,}4890\times 10^{-1}\ T+1{,}0575\times 10^3</math>
où :
Pression
Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres aéronefs. En pratique, la pression imposée dans les cabines est supérieure à la pression extérieure, bien que moindre que la pression au niveau du sol.
De l'air comprimé est également utilisé dans la plongée sous-marine.
Liquéfaction
L'air est formé de différents gaz qui, si on les refroidit suffisamment, finissent par passer à l'état liquide, puis à l'état solide. Par exemple, l'oxygène devient solide à la température de Modèle:Tmp, l'azote se liquéfie à Modèle:Tmp. À la température de Modèle:Tmp (environ Modèle:Nb), tous les gaz sauf l'hélium sont alors solides et on obtient de « l'air congelé ».
L'air n'a pu être liquéfié avant que ne soient connues les pressions et températures critiques qui marquent les limites théoriques au-delà desquelles un composé ne peut exister qu'à l'état gazeux. L'air étant un mélange, ces valeurs n'ont pas de sens strict, mais, en fait, à une température supérieure à Modèle:Tmp, l'air n'est plus liquéfiable.
| Nom | Formule | Température |
|---|---|---|
| Diazote | Modèle:N2 | Modèle:Tmp, azote liquide |
| Dioxygène | Modèle:O2 | Modèle:Tmp, oxygène liquide |
| Argon | Ar | Modèle:Tmp |
| Dioxyde de carbone | Modèle:CO2 | Modèle:Tmp sous Modèle:Nb |
| Néon | Ne | Modèle:Tmp |
| Hélium | He | Modèle:Tmp, hélium liquide |
| Monoxyde d'azote | NO | Modèle:Tmp |
| Krypton | Kr | Modèle:Tmp |
| Méthane | CH4 | Modèle:Tmp |
| Dihydrogène | H2 | Modèle:Tmp, hydrogène liquide |
| Protoxyde d'azote | N2O | Modèle:Tmp |
| Xénon | Xe | Modèle:Tmp |
| Dioxyde d'azote | NO2 | Modèle:Tmp |
| Ozone | O3 | Modèle:Tmp |
| Radon | Rn | Modèle:Tmp |
Les premières gouttes d'air liquide ont été obtenues presque simultanément par Louis Paul Cailletet et Raoul-Pierre Pictet en 1877, par détente brutale entre Modèle:Nb.
En 1894, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes mit au point la première installation d’air liquide. Pendant les quarante années qui suivirent, des chercheurs en France, Grande-Bretagne, Allemagne et Russie apportèrent de nombreuses améliorations au procédé.
Sir James Dewar liquéfia d’abord l’hydrogène, en 1898, et Heike Kamerlingh Onnes l’hélium, le gaz le plus difficile à liquéfier, en 1908.
Indépendamment de Carl von Linde, Georges Claude mit au point dès 1902 un procédé industriel de liquéfaction de l’air.
Symbolique
- Dans un domaine non scientifique, l'air est l'un des quatre éléments (avec le feu, l'eau et la terre) que l'on considérait autrefois (et que l'on considère encore dans certaines cultures) comme les substances sur lesquelles serait basée toute la vie. Il est le symbole de l'Esprit.
- L'air est également souvent associé à différents autres concepts tels que la famille des épées dans les jeux de tarot.
Notes et références
Notes
Références
Voir aussi
Articles connexes
- Masse volumique de l'air
- Masse d'air
- Psychrométrie
- Air humide
- Pollution de l'air et les articles de la Catégorie:Pollution de l'air
- Qualité de l'air
- (369) Aëria, astéroïde
