空气

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空气是指地球大气层中的气体混合。它主要由 78%的氮气、21%氧气、还有1%的稀有气体和杂质组成的混合物。空气的成分不是固定的,随着高度的改变、气压的改变,空气的组成比例也会改变。但是长期以来人们一直认为空气是一种单一的物质,直到后来法国科学家拉瓦锡通过实验首先得出了空气是由气和气组成的结论。19世纪末,科学家们又通过大量的实验发现,空气裡还有等稀有气体。

在自然状态下空气是无味无臭的。

空气中的氧气对于所有需氧生物来说是必须的。所有动物需要呼吸氧气。此外植物利用空气中的二氧化碳进行光合作用二氧化碳是近乎所有植物的唯一的的来源。

成分[编辑]

空气的成分
气体 化学式 体积比 质量比
干燥空气在海平面的主要成分
N2 78.084 % 75.518 %
O2 20.942 % 23.135 %
Ar 0.934 % 1.288 %
痕量气体
二氧化碳 CO2 0.040 % 0.058 %
Ne 18.180 ppm 12.67 ppm
He 5.240 ppm 0.72 ppm
甲烷 CH4 1.760 ppm 0.97 ppm
Kr 1.140 ppm 3.30 ppm
H2 约500 ppb 36 ppb
一氧化二氮 N2O 317 ppb 480 ppb
一氧化碳 CO 50-200 ppb 50-200 ppb
Xe 87 ppb 400 ppb
二氯二氟甲烷
(CFC-12)
CCl2F2 535 ppt 2200 ppt
一氟三氯甲烷
(CFC-11)
CCl3F 226 ppt 1100 ppt
一氯二氟甲烷
(HCFC-22)
CHClF2 160 ppt 480 ppt
四氯化碳 CCl4 96 ppt 510 ppt
三氟三氯乙烷
(CFC-113)
C2Cl3F3 80 ppt 520 ppt
三氯乙烷 CH3-CCl3 25 ppt 115 ppt
二氯一氟乙烷
(HCFC-141b)
CCl2F-CH3 17 ppt 70 ppt
二氟一氯乙烷
(HCFC-142b)
CClF2-CH3 14 ppt 50 ppt
六氟化硫 SF6 5 ppt 25 ppt
溴氯二氟甲烷 CBrClF2 4 ppt 25 ppt
三氟溴甲烷 CBrF3 2.5 ppt 13 ppt
总质量(干燥) 5.135 · 1015 t
总质量(潮湿) 5.148 · 1015 t

右表中列出空气在海平面上的成分。一般人们通过蒸馏液化的空气的方法来分离空气的成分。

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氮气是一种化学上非常惰性的气体。只有通过固氮它才进入氮循环,能够被生物所利用。生物的氨基酸需要氮。通过反硝化作用氮回到空气中。在技术上人们使用哈柏法将空气中的氮加工为肥料。固氮与反硝化作用基本上互相抵消,对空气中的氮的浓度没有影响。在深潜的过程中(潜水深度大于60米)压缩空气瓶中的氮會被代替,否则的话血液中溶的氮会导致氮麻醉

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氧是一种重要的氧化剂,它使得空气具有氧化的作用。几乎所有化学燃烧和生理呼吸都需要氧。空气中的氧是通过光合作用产生的。在整个地球历史中通过光合作用所产生的氧的总量约是今天空气中氧的总量的20倍。

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是一种惰性气体。它基本上不参加化学反应。因此在焊接时氩用来当作保护气。此外由于它相对于空气而言导热性比较差,因此它也被用来作为氣密窗玻璃之间的隔热气体。

水蒸氣[编辑]

按照空气湿度的不同空气中可以含0至4%体积比的水蒸氣。一般空气中水蒸氣的含量在0.1%体积比(极地)至3%体积比(热带)之间。地面附近的水蒸氣平均含量为1.3%。

随时间的变化[编辑]

空气成分的浓度是亚稳定的。在一个人活着的时间里它的变化非常小,但是它并不是自然常数。在地球历史上大气层不断发生变化,其组成成分曾经几度巨大地变化。现在大气层的组成是约3.5亿年前形成的。

目前空气成分变化最大的是工业化开始后二氧化碳的成分增加了约40%。有人认为人为的温室效应导致了全球变暖

由于痕量气体的总量非常小,因此它们的变化幅度可以非常大,人的生产和其它自然现象(比如火山活动)就可以在短期导致其浓度的波动。

随空间的变化[编辑]

不同高度空气的温度和摩尔质量

以上给出的数值基本上到100千米高度不变。但是由于不同高度大气化学的反应各不相同,因此在不同高度上尤其是痕量气体的浓度可以有很大的差别。在100千米以上重的气体的浓度下降。因此在高空氢和氦的浓度比在地面高得多,不过那里的空气密度也要低得多。

低浓度物质[编辑]

除以上列出的主要成分外空气里还包含少量甲烷、二氧化硫(7千米以上骤减)、一氧化碳臭氧

其它痕量气体包括:

二氧化碳[编辑]

二氧化碳最重要的生理作用在于为光合作用提供碳,因此空气中二氧化碳的含量对植物的生长影响很大。由于植物光合作用随光的存在而开始或者停止,因此地面附近的二氧化碳的浓度周日起伏。在植被丰富的地方地面附近的二氧化碳的浓度在白天最低,夜间最高。此外除热带外地面附近的二氧化碳的浓度还随季节起伏。在北半球三月至四月其浓度最高,十月或十一月最低。人的活动也会影响地面附近的二氧化碳的浓度。比如冬季随着取暖的开始二氧化碳的浓度提高。

臭氧[编辑]

衡量臭氧浓度的是多布森单位,而不是其浓度,原因是因为臭氧是一种非常活跃的气体,它能很快形成,很快分解,它的浓度随高度、天气、温度、其它物质的存在和时间变化很大。

一氧化碳[编辑]

一氧化碳是一种无色的易燃毒气。它由碳的不完全燃烧而产生。在血液中它可以更容易與紅血球結合,進而阻止氧的运输而令人致死,对进行光合作用的植物它也有危害。未经处理的汽车废气中含约4%的一氧化碳。空气中一氧化碳的主要来源是植物燃烧。

物理特性[编辑]

随温度的变化
温度
[°C]
声速
[m/s]
空气密度
[kg·m-3]
声阻抗
[N·s·m-3]
- 10 325.4 1.341 436.5
- 5 328.5 1.316 432.4
0 331.5 1.293 428.3
+ 5 334.5 1.269 424.5
+ 10 337.5 1.247 420.7
+ 15 340.5 1.225 417.0
+ 20 343.4 1.204 413.5
+ 25 346.3 1.184 410.0
+ 30 349.2 1.164 406.6

密度[编辑]

标准状况空气密度为1.293kg/m3

压力[编辑]

气压是位于一个地点上方空气受地球引力导致的静态的重力造成的压力。气压除根据测量高度变化外还受温度和空气动力的影响。在海平面一平方米上的空气压力约为10000千克。

温度[编辑]

气温是指地面附近空气在不受太阳辐射加热或者地面热源加热的情况下的温度。

不同应用对于气温的定义不一样。在气象学中气温被定义为地面以上两米高处的温度。

湿度[编辑]

湿度是水蒸氣在空气中的成分。

其它[编辑]

在标准状态下空气的声速为331.5m/s。

干燥空气的摩尔质量为28.9634g/mol。

在标准状态下空气对可见光折射率约为1.00029。它随气压、气温和空气成分变化。尤其湿度对於折射率的影响比较大,相应地光速在空气中也随之改变。

热容

不含水蒸气空气被称为乾空气。乾空氣的氣體常數為2.8704*10**6erg g**(-1) K**(-1),平均分子量=28.966g mol**(-1) ,定壓比熱=7R/2=0.240 cal g**(-1) K**(-1),乾空氣定容比熱 =5R/2=0.171 cal g**(-1) K**(-1)。

空气污染和保护[编辑]

空气污染是对空气的环境污染,它是通过蒸氣气溶胶和有味物质对自然的空气成分造成的变化。

在过去数年中在发达国家的空气污染情况有所好转,同时对温室气体的释放在这些国家里依然不断上升。在第三世界和新工业化国家(如中国)中空气污染依然是一个非常严重的问题。

文化意义[编辑]

古希腊哲学中的四元素说将空气列为世界万物的基本组成部分之一。与空气相应的正多面體正八面體