空氣

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空氣是指地球大氣層中的氣體混合。它主要由 78%的氮氣、21%氧氣、還有1%的稀有氣體和雜質組成的混合物。空氣的成分不是固定的,隨著高度的改變、氣壓的改變,空氣的組成比例也會改變。但是長期以來人們一直認為空氣是一種單一的物質,直到後來法國科學家拉瓦節通過實驗首先得出了空氣是由氣和氣組成的結論。19世紀末,科學家們又通過大量的實驗發現,空氣裡還有等稀有氣體。

在自然狀態下空氣是無味無臭的。

空氣中的氧氣對於所有需氧生物來說是必須的。所有動物需要呼吸氧氣。此外植物利用空氣中的二氧化碳進行光合作用二氧化碳是近乎所有植物的唯一的的來源。

成分[編輯]

空氣的成分
氣體 化學式 體積比 質量比
乾燥空氣在海平面的主要成分
N2 78.084 % 75.518 %
O2 20.942 % 23.135 %
Ar 0.934 % 1.288 %
痕量氣體
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 約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
總質量(乾燥) 5.135 · 1015 t
總質量(潮濕) 5.148 · 1015 t

右表中列出空氣在海平面上的成分。一般人們通過蒸餾液化的空氣的方法來分離空氣的成分。

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氮氣是一種化學上非常惰性的氣體。只有通過固氮它才進入氮循環,能夠被生物所利用。生物的胺基酸需要氮。通過反硝化作用氮回到空氣中。在技術上人們使用哈柏法將空氣中的氮加工為肥料。固氮與反硝化作用基本上互相抵消,對空氣中的氮的濃度沒有影響。在深潛的過程中(潛水深度大於60米)壓縮空氣瓶中的氮會被代替,否則的話血液中溶的氮會導致氮麻醉

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氧是一種重要的氧化劑,它使得空氣具有氧化的作用。幾乎所有化學燃燒和生理呼吸都需要氧。空氣中的氧是通過光合作用產生的。在整個地球歷史中通過光合作用所產生的氧的總量約是今天空氣中氧的總量的20倍。

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是一種惰性氣體。它基本上不參加化學反應。因此在焊接時氬用來當作保護氣。此外由於它相對於空氣而言導熱性比較差,因此它也被用來作為氣密窗玻璃之間的隔熱氣體。

水蒸氣[編輯]

按照空氣濕度的不同空氣中可以含0至4%體積比的水蒸氣。一般空氣中水蒸氣的含量在0.1%體積比(極地)至3%體積比(熱帶)之間。地面附近的水蒸氣平均含量為1.3%。

隨時間的變化[編輯]

空氣成分的濃度是亞穩定的。在一個人活著的時間裡它的變化非常小,但是它並不是自然常數。在地球歷史上大氣層不斷發生變化,其組成成分曾經幾度巨大地變化。現在大氣層的組成是約3.5億年前形成的。

目前空氣成分變化最大的是工業化開始後二氧化碳的成分增加了約40%。有人認為人為的溫室效應導致了全球變暖

由於痕量氣體的總量非常小,因此它們的變化幅度可以非常大,人的生產和其它自然現象(比如火山活動)就可以在短期導致其濃度的波動。

隨空間的變化[編輯]

不同高度空氣的溫度和摩爾質量

以上給出的數值基本上到100千米高度不變。但是由於不同高度大氣化學的反應各不相同,因此在不同高度上尤其是痕量氣體的濃度可以有很大的差別。在100千米以上重的氣體的濃度下降。因此在高空氫和氦的濃度比在地面高得多,不過那裡的空氣密度也要低得多。

低濃度物質[編輯]

除以上列出的主要成分太空氣里還包含少量甲烷、二氧化硫(7千米以上驟減)、一氧化碳臭氧

其它痕量氣體包括:

二氧化碳[編輯]

二氧化碳最重要的生理作用在於為光合作用提供碳,因此空氣中二氧化碳的含量對植物的生長影響很大。由於植物光合作用隨光的存在而開始或者停止,因此地面附近的二氧化碳的濃度周日起伏。在植被豐富的地方地面附近的二氧化碳的濃度在白天最低,夜間最高。此外除熱帶外地面附近的二氧化碳的濃度還隨季節起伏。在北半球三月至四月其濃度最高,十月或十一月最低。人的活動也會影響地面附近的二氧化碳的濃度。比如冬季隨著取暖的開始二氧化碳的濃度提高。

臭氧[編輯]

衡量臭氧濃度的是多布森單位,而不是其濃度,原因是因為臭氧是一種非常活躍的氣體,它能很快形成,很快分解,它的濃度隨高度、天氣、溫度、其它物質的存在和時間變化很大。

一氧化碳[編輯]

一氧化碳是一種無色的易燃毒氣。它由碳的不完全燃燒而產生。在血液中它可以更容易與紅血球結合,進而阻止氧的運輸而令人致死,對進行光合作用的植物它也有危害。未經處理的汽車廢氣中含約4%的一氧化碳。空氣中一氧化碳的主要來源是植物燃燒。

物理特性[編輯]

隨溫度的變化
溫度
[°C]
聲速
[m/s]
空氣密度
[kg·m-3]
聲阻抗
[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[編輯]

標準狀況空氣密度為1.293kg/m3

壓力[編輯]

氣壓是位於一個地點上方空氣受地球引力導致的靜態的重力造成的壓力。氣壓除根據測量高度變化外還受溫度和空氣動力的影響。在海平面一平方米上的空氣壓力約為10000千克。

溫度[編輯]

氣溫是指地面附近空氣在不受太陽輻射加熱或者地面熱源加熱的情況下的溫度。

不同應用對於氣溫的定義不一樣。在氣象學中氣溫被定義為地面以上兩米高處的溫度。

濕度[編輯]

濕度是水蒸氣在空氣中的成分。

其它[編輯]

在標準狀態下空氣的聲速為331.5m/s。

乾燥空氣的摩爾質量為28.9634g/mol。

在標準狀態下空氣對可見光折射率約為1.00029。它隨氣壓、氣溫和空氣成分變化。尤其濕度對於折射率的影響比較大,相應地光速在空氣中也隨之改變。

熱容

不含水蒸氣空氣被稱為乾空氣。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)。

空氣污染和保護[編輯]

空氣污染是對空氣的環境污染,它是通過蒸氣氣溶膠和有味物質對自然的空氣成分造成的變化。

在過去數年中在已開發國家的空氣污染情況有所好轉,同時對溫室氣體的釋放在這些國家裡依然不斷上升。在第三世界和新工業化國家(如中國)中空氣污染依然是一個非常嚴重的問題。

文化意義[編輯]

古希臘哲學中的四元素說將空氣列為世界萬物的基本組成部分之一。與空氣相應的正多面體正八面體