Aria

L'aria è una miscela di sostanze aeriformi (gas e vapori) che costituisce l'atmosfera terrestre. È essenziale per la vita della maggior parte degli organismi animali e vegetali, in particolare per la vita umana, per cui la sua salvaguardia è fondamentale ed è regolata da apposite norme legislative. Tale miscela gassosa trova molte applicazioni nell'ambito industriale e nell'uso quotidiano, in particolare sotto forma di aria compressa (cioè sottoposta a pressione) e di aria liquida.

Aria
Numero CAS	132259-10-0
Caratteristiche generali
Composizione	aria secca (privata dal vapore acqueo): azoto (78% mol), ossigeno (21% mol), argon (1% mol)
Aspetto	incolore
Stato di aggregazione (in c.s.)	gassoso
Proprietà chimico-fisiche
Densità (kg·m−3, in c.s.)	1,225 kg/m³ (a 15 °C e ~1013 hPa)
Temperatura di ebollizione (K)	−190 °C (1013 hPa)
Viscosità cinematica (m2/s a 20 °C)	1,50×10−5 m²/s
Viscosità dinamica (mPa·s a 20 °C)	1,81×10−5 Pa·s
Conduttività termica (W/m·K)	0,02422 W/(m·K)

Correnti d'aria nel cielo.

Nel contesto protoscientifico della tradizione filosofica, l'aria è uno dei quattro elementi primari (aria, acqua, terra e fuoco).

Etimologia

Il termine aria deriva dal latino āera, nominativo āer, dal greco ἀήρ, aér, di etimologia incerta, probabilmente correlato da una radice awer. La parola è associata nelle varie lingue indoeuropee al vento, alla luce e al cielo.

Storia

Simbolo alchemico utilizzato per indicare l'aria.

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.

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

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

Composizione dell'aria

La composizione dell'aria è variabile a seconda della quota. 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; invece le concentrazioni di vapore acqueo e di anidride carbonica sono variabili. 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 78,09% di azoto (N₂), per il 20,9% di ossigeno (O₂), per lo 0,93% 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".

L'aria umida è una miscela aeriforme che contiene aria secca e vapore acqueo; la massima quantità di vapore d'acqua contenuto, all'equilibrio, è quella quantità che realizza una pressione parziale pari alla tensione di vapore: in questo caso parliamo di saturazione che corrisponde ad un'umidità relativa del 100%. L'umidità assoluta si misura in grammi (di vapor d'acqua) per chilogramma (di aria secca). L'umidità relativa, che spesso è la grandezza che interessa, è il rapporto tra l'umidità assoluta effettiva e l'umidità assoluta in condizioni di saturazione a quella temperatura e pressione. Per esempio l'umidità assoluta in condizioni di saturazione è di 7,6 g:kg a 10 °C, di 10,7 g:kg a 15 °C, di 15,2g:kg a 20 °C, di 20,2 g:kg a 25 °C, di 27,3 g:kg a 30 °C e di 36,4 a 35 °C (valori approssimativi alla pressione di 1013,25hPa). Da notare che all'approssimarsi alla temperatura di ebollizione dell'acqua (100 °C a 1013,25 hPa) il valore dell'umidità assoluta in condizioni di saturazione sale rapidamente tendendo, idealmente, all'infinito perché a quella temperatura la quantità di vapor d'acqua che potrebbe essere presente nell'aria è illimitato. Così se abbiamo un'aria con un'umidità assoluta di 11 g:kg a 25 °C l'umidità relativa sarà 11:20,2 = 54,4% che corrisponde ad una situazione percepita come di benessere; la stessa aria umida portata a 35 °C diventerà "secca" infatti l'umidità relativa sarà 11 : 36,4 = 30,2% mentre se la portiamo a 15 °C diventerà "umida" poiché l'umidità relativa sarà 11:15,2 = 72,4%; raffreddandola ulteriormente fino a 10 °C otterremo una condizione di saturazione (umidità relativa 100%) con un'umidità assoluta di 7,6 g:kg ed una quantità di condensa (acqua tornata allo stato liquido) pari a 11-7,6 = 3,4 g:kg.

Il tasso di anidride carbonica risulta molto variabile a seconda del periodo temporale considerato. In particolare le attività umane (industria, inquinamento, combustione e deforestazione) 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 oltre 400 ppm (0,04%) negli ultimi anni. La concentrazione di tale componente risulta 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 al 50% a circa ~5,5 km, al 10% a 16 km e all'1% a 32 km), 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.

Composizione dell'atmosfera terrestre

Composizione dell'aria secca
Nome	Formula	Proporzione o frazione molare	% (m/m)
Azoto	N2	78,084%	75,37%
Ossigeno	O2	20,9476%	23,1%
Argon	Ar	0,934%	1,41%
Anidride carbonica	CO2	413.93 ppm (Ottobre 2021)
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	6×10−14ppm

Correlazione tra frazioni molari e frazione in massa

Molecola		Frazione molare [mol:mol]		Massa molare [g:mol]		Massa della frazione [g:mol]		Frazione in massa [g:g]
Azoto	N2	0,7808	78,08%	2 x 14,0067 =	28,01	0,7808 x 28,01 =	21,8702	21,8702 : 28,9633 =	0,7551	75,51%
Ossigeno	O2	0,2095	20,95%	2 x 15,9994 =	32,00	0,2095 x 32,00 =	6,7040	6.7040 : 28,9633 =	0,2315	23,15%
Argon	Ar	0,0093	0,93%	1 x 39,948 =	39,95	0,0093 x 39,95 =	0,3715	0,3715 : 28,9633 =	0,0128	1,28%
Anidride carbonica	CO2	0,0004	0,04%	12,0107 + 2 x 15,9994 =	44,01	0,0004 x 44,01 =	0,0176	0,0176 : 28,9633 =	0,0006	0,06%
TOTALE		1,0000	100%	---	---	---	28,9633	---	1,0000	100%

Sostanze inquinanti

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). Tra questi inquinanti si annoverano:

• gas serra: tra cui anidride carbonica, metano e clorofluorocarburi (CFC);
• NO_x: responsabili delle piogge acide, che provocano notevoli danni alle foreste;
• composti organici volatili: associati al traffico veicolare e all'uso di solventi (in particolare alle operazioni di verniciatura).

Caratteristiche e proprietà fisiche dell'aria secca

Uccelli in volo nell'aria.

Alcune delle proprietà dell'aria secca sono:

• Coefficiente di dilatazione adiabatica: $k=c_{p}/c_{v}=1,40$
• Calore specifico a pressione costante (per temperature tra i ${\mbox{20 - 40 °C}}$): $c_{p}=1,005{\frac {\mbox{kJ}}{\mbox{kg K}}}$;
• Massa molecolare media: $mm=28,965{\frac {\mbox{g}}{\mbox{mol}}}$
• Costante specifica dell'aria secca: $R=287,05{\frac {\mbox{J}}{\mbox{kg K}}}$.
• Temperatura critica: $T_{c}=-140,6{\mbox{°C}}$
• Pressione critica: $p_{c}=3769,290{\mbox{ kPa}}$

Il peso molecolare medio dell'aria secca si può valutare come media pesata dei gas componenti. Per una dimostrazione, ci si può limitare ai suoi componenti principali (Azoto [${\mbox{N}}_{2}$], Ossigeno [${\mbox{O}}_{2}$], Argon [${\mbox{Ar}}$]). Indicando con $\omega _{\mbox{X}}$ e con $\mu _{\mbox{X}}$ rispettivamente la frazione molare e la massa molecolare della sostanza ${\mbox{X}}$, le proprietà di questi gas sono:

• $\omega _{{\mbox{N}}_{2}}=0,78$, $\mu _{{\mbox{N}}_{2}}=2\cdot 14,007{\mbox{ g }}{\mbox{mol}}^{-1}=28,014{\mbox{ g }}{\mbox{mol}}^{-1}$;
• $\omega _{{\mbox{O}}_{2}}=0,21$, $\mu _{{\mbox{O}}_{2}}=2\cdot 15,999{\mbox{ g }}{\mbox{mol}}^{-1}=31,998{\mbox{ g }}{\mbox{mol}}^{-1}$;
• $\omega _{\mbox{Ar}}=0,01$), $\mu _{\mbox{Ar}}=39,948{\mbox{ g }}{\mbox{mol}}^{-1}$;

Si calcola la massa molecolare:

$\omega _{{\mbox{N}}_{2}}\mu _{{\mbox{N}}_{2}}+\omega _{{\mbox{O}}_{2}}\mu _{{\mbox{O}}_{2}}+\omega _{\mbox{Ar}}\mu _{\mbox{Ar}}=28.970{\mbox{ g }}{\mbox{mol}}^{-1}$

Per il calcolo della costante del gas aria basta rapportare la costante universale dei gas $R_{0}$ con il peso molecolare medio, appena ricavato, ottenendo

$R={\frac {R_{0}}{mm}}=0{,}28705{{\rm {J}} \over {\rm {\;g\;K\;}}}=287{,}05{{\rm {J}} \over {\rm {\;kg\;K\;}}}$

Nelle condizioni ambientali di temperatura e pressione, l'aria segue la legge dei gas perfetti, cui si può fare ricorso per valutare la densità $\rho$ dell'aria:

$\rho ={\frac {p}{RT}}$

Si noti che la densità è una funzione di pressione e temperatura. A titolo di esempio si voglia calcolare la densità dell'aria alla temperatura di 15 °C (288,15 K) e alla pressione di 1 atmosfera (101 325 Pa). Applicando la formula, si ha:

$\rho ={\frac {101325{\mbox{ Pa}}}{287,05{\frac {\mbox{J}}{\mbox{kg K}}}\cdot 288.15{\mbox{ K}}}}=1,225{\frac {\mbox{kg}}{{\mbox{m}}^{3}}}$

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)

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

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

$n_{s}=1+643{,}28\times 10^{-7}+{\frac {294981\times 10^{-7}}{(146-\sigma ^{2})}}+{\frac {2554\times 10^{-7}}{(41-\sigma ^{2})}}$

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

Compressione

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).

Purificazione

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).

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

Nel caso in cui invece le sostanze inquinanti presenti nell'aria siano gassose, la purificazione può avvenire tramite assorbimento gas-liquido, adsorbimento, 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). 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.

Applicazioni

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, la frenatura dei veicoli ferroviari e l'azionamento di comandi a distanza. Viene inoltre utilizzata per riempire bombole per applicazioni subacquee e camere d'aria di pneumatici e gommoni.

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

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

Percezione visiva della presenza dell'aria

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.

Bibliografia

• 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

• Gas
• Fluido
• Aeriforme
• Aerodinamica
• Atmosfera terrestre
• Pressione atmosferica
• Temperatura dell'aria
• Densità dell'aria
• Atmosfera standard internazionale ICAO
• Aria compressa
• Inquinamento atmosferico
• Raffreddamento ad aria

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• aria, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• Lara Albanese, L'aria, in Enciclopedia dei ragazzi, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 2004-2006.
• (EN) air, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) Properties of air, su thermopedia.com, Thermopedia.