Air

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Air
Identification
No CAS 132259-10-0
Propriétés chimiques
Masse molaire 28,965338 g·mol-1 [1]
Propriétés physiques
fusion −216,2 °C (1 atm)[2]
ébullition −194,3 °C (1 atm, 874,0 kg·m-3)[2]
Solubilité 0,0292 vol/vol (eau, °C)[2]
Masse volumique 1,2 kg·m-3 (21,1 °C, 1 atm)[2]
Pression de vapeur saturante
Point critique −140,6 °C, 3 771 kPa, 351 kg·m-3 [2]
Conductivité thermique 0,0234 W·m-1·°C-1
Thermochimie
Cp
Propriétés optiques
Indice de réfraction n^{ 20 }_{ 633 }  1,00026825 (100 kPa, air sec avec 450 ppm de CO2)[4]
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est normalement incolore, invisible et inodore.

Composition de l'air[modifier | modifier le code]

L'air sec au voisinage du sol est un mélange gazeux homogène. Il est approximativement composé en fraction molaire ou en volume de :

Il contient aussi des traces de dihydrogène 0,000072 % (0,72 ppmv), mais aussi d'ozone, ainsi qu'une présence infime de radon[6].

La plupart du temps l'air de l'environnement terrestre est souvent humide car il contient de la vapeur d'eau. 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.

Au voisinage du sol, l'air contient une quantité très variable de vapeur d'eau, qui 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 −10 °C °C 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C
 % de vapeur d'eau

pour une pression d'air de 1013 hPa

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. On parle alors d'humidité absolue, mesurée aussi en unité de masse par volume. L'humidité relative est le 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 6,5 ppmv (partie par million en volume) d'amplitude. D'autre part, le taux moyen annuel augmente de 1,2 à 1,4 ppmv par an. De l'ordre de 384 ppmv (0,0384 %) à mi-2008, il était de 278 ppmv avant la révolution industrielle, de 315 ppmv en 1958, de 330 ppmv en 1974 et de 353 ppmv en 1990. On pense que 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 : 800 mm3/m3 (0,8 ppmv) à l'époque préindustrielle, 1 585 mm3/m3 en 1985, 1 663 mm3/m3 en 1992 et 1 676 mm3/m3 en 1996.

Jusqu'à environ 80 km d'altitude, la composition de l'air est assez homogène, la seule variation remarquable est celle du taux de la vapeur d'eau lié à la température.

Composition de l'air sec

Nom Formule Proportion
Diazote N2 78,08 %mol [1]
Dioxygène O2 20,95 %mol [1]
Argon Ar 0,934 %mol [1]
Dioxyde de carbone CO2 382 ppmv
Néon Ne 18,18 ppmv [1]
Hélium He 5,24 ppmv [1]
Monoxyde d'azote NO 5 ppmv [1]
Krypton Kr 1,14 ppmv [1]
Méthane CH4 1,7 ppmv
Dihydrogène H2 0,5 ppmv [1]
Protoxyde d'azote N2O 0,5 ppmv [1]
Xénon Xe 0,087 ppmv [1]
Dioxyde d'azote NO2 0,02 ppmv [1]
Ozone O3 00,01 ppmv [1]
Radon Rn 6,0×10-14 ppmv [1]

Les proportions massiques peuvent être évaluées approximativement en multipliant les proportions volumiques par le rapport de la masse molaire du gaz considéré divisé par la masse molaire de l'air soit 28,976 g⋅mol-1, par exemple dans le cas du CO2. Ce rapport n'est pas négligeable puisqu'il vaut 44/28,976 = 1,52 d'où la teneur massique en CO2 dans l'air égale à 382×1,52 = 580 ppmm.

Masse volumique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Masse volumique de l'air.

L'air étant un gaz compressible, sa masse volumique (en kg/m3) est fonction de la pression, de la température et du taux d'humidité.

Pour de l'air sec sous pression atmosphérique normale :

On prend généralement 1,293 kg/m3 à °C et 1,204 kg/m3 à 20 °C.

Ceci est généralisé en : \rho=1,293\cdot\frac{273}{273+T} avec T en degrés Celsius.

Potentiel de réchauffement global[modifier | modifier le code]

Le potentiel de réchauffement global (PRG, GWP Global Warming Potential en anglais) ou équivalent 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) 8[réf. souhaitée] 23 310 de 1300 à 1400 de 6200 à 7100 6500 22800
gaz dioxyde de carbone vapeur d'eau méthane protoxyde d'azote (N2O) chlorodifluorométhane (HCFC) dichlorodifluorométhane (CFC) tétrafluorure de carbone (CF4) hexafluorure de soufre (SF6).

L'indice de réfraction de l'air[modifier | modifier le code]

L'expression pour l'indice de réfraction d'air « aux conditions standard » est[7] :

\sigma = \frac{1000}{\lambda}\lambda est la longueur d'onde exprimée en nanomètres (nm), là où \sigma 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 101 325 Pa (760 millimètres de mercure) et d'une température de 288,15 kelvin (15 °C).

Pour modifier l'indice « ns » pour une température différente ou pression, en utilisant l'une ou l'autre des expressions suivantes :

n = 1 + (n_s - 1) \times { (\frac{p} {p_s}) \times { (\frac{T_s} {T}) }}

avec :

  • T, température en kelvins
  • p, pression en pascals
  • Ts, 288,15 K
  • ps, 101 325 Pa
  • ns, indice de réfraction d'air donné ci-dessus

ou :

n = 1 + (n_s-1) \times p \times [ 1 + p \times \beta_{(T)} ] \times (1+ 15 \times \alpha )/{ 760 \times ( 1 + 760 \times \beta_{15}) \times (1 + T \times \alpha) }

avec :

  • T, température en degrés Celsius
  • Ts, 15 °C
  • p, pression en mm du mercure
  • ps, 760 mm
  • \alpha~, 0,00366
  • \beta_{(T)}~, (1,049 - 0,015*T)*1.e-6
  • \beta_{15}~, 8,13e-7
  • ns, indice de réfraction d'air donné ci-dessus

Propriétés thermophysiques[modifier | modifier le code]

D'après les tables publiées par Frank M. White, "Heat and Mass transfer", Addison-Wesley, 1988.

avec :

Air à pression atmosphérique
T ρ μ ν Cp λ a Pr
K kg.m-3 kg.m-1.s-1 m²s-1 J.kg-1.K-1 W.m-1.K-1 m²s-1 -
250 1,413 1,60×10-5 0,949×10-5 1005 0,0223 1.32×10-5 0,722
300 1,177 1,85×10-5 1,57×10-5 1006 0,0262 2,22×10-5 0,708
350 0,998 2,08×10-5 2,08×10-5 1009 0,0300 2,98×10-5 0,697
400 0,883 2,29×10-5 2,59×10-5 1014 0,0337 3,76×10-5 0,689
450 0,783 2,48×10-5 2,89×10-5 1021 0,0371 4,22×10-5 0,683
500 0,705 2,67×10-5 3,69×10-5 1030 0,0404 5,57×10-5 0,680
550 0,642 2,85×10-5 4,43×10-5 1039 0,0436 6,53×10-5 0,680
600 0,588 3,02×10-5 5,13×10-5 1055 0,0466 7,51×10-5 0,680
650 0,543 3,18×10-5 5,85×10-5 1063 0,0495 8,58×10-5 0,682
700 0,503 3,33×10-5 6,63×10-5 1075 0,0523 9,67×10-5 0,684
750 0,471 3,48×10-5 7,39×10-5 1086 0,0551 10,8×10-5 0,686
800 0,441 3,63×10-5 8,23×10-5 1098 0,0578 12,0×10-5 0,689
850 0,415 3,77×10-5 9,07×10-5 1110 0,0603 13,1×10-5 0,692
900 0,392 3,90×10-5 9,93×10-5 1121 0,0628 14,3×10-5 0,696
950 0,372 4,02×10-5 10,8×10-5 1132 0,0653 15,5×10-5 0,699
1000 0,352 4,15×10-5 11,8×10-5 1142 0,0675 16,8×10-5 0,702
1100 0,320 4,40×10-5 13,7×10-5 1161 0,0723 19,5×10-5 0,706
1200 0,295 4,63×10-5 15,7×10-5 1179 0,0763 22,0×10-5 0,714
1300 0,271 4,85×10-5 17,9×10-5 1197 0,0803 24,8×10-5 0,722

Source : informations du site Chemical Professionals[8].

La relation entre la température et la conductivité thermique de l'air, valable pour une température comprise entre 100 et 1 600 K est la suivante[9]  :

\lambda=1,5207\;10^{-11}*T^3-4,857\;10^{-8}*T^2+1,0184\;10^{-4}*T-3,9333\;10^{-4}

  • T : Température en kelvins
  • \lambda : Conductivité thermique en \mathrm{W.m^{-1}.K^{-1}}

La relation entre la viscosité dynamique de l'air et la température est :

 \mu=8.8848\;10^{-15}*T^3-3.2398\;10^{-11}*T^2+6.2657\;10^{-8}*T+2.3543\;10^{-6}

  • T : Température en kelvins
  • \mu : viscosité dynamique en \mathrm{kg.m^{-1}.s^{-1}}

La relation entre la viscosité cinématique de l'air et la température est :

 \nu=-1,363528\;10^{-14}*T^3+1,00881778\;10^{-10}*T^2+3,452139\;10^{-8}*T-3,400747\;10^{-6}

  • T : Température en kelvins
  • \nu : viscosité cinématique en \mathrm{m^{2}/s}

D'après les informations de WPI [10], la relation entre chaleur spécifique de l'air et la température est la suivante :

C_p=1,9327\;10^{-10}*T^4-7,9999\;10^{-7}*T^3+1,1407\;10^{-3}*T^2-4,4890\;10^{-1}*T+1,0575\;10^3

Où :

  • T : Température en kelvins
  • C_p : Chaleur spécifique en \mathrm{J.kg^{-1}.K^{-1}}

Pression[modifier | modifier le code]

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 de l'air[modifier | modifier le code]

L'air est formé de différents gaz et ceux-ci, si l'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 −218 °C, l'azote se liquéfie à −195 °C. À la température de −270 °C (environ 3 kelvins), 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 −140 °C, l'air n'est plus liquéfiable.

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 300 et 1 atmosphère.

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 Kamerlingh Onnes l’hélium, le gaz le plus difficile à liquéfier, en 1908. Indépendamment de Carl von Linde, Georges Claude met au point dès 1902 un procédé industriel de liquéfaction de l’air.

Symbolique[modifier | modifier le code]

  • 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[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m et n « Air », sur olivier.fournet.free.fr (consulté le 4 mars 2010)
  2. a, b, c, d et e (en) Compressed Gas Association, Handbook of compressed gases, Springer,‎ 1999, 4e éd., 702 p. (ISBN 0-412-78230-8, lire en ligne), p. 234
  3. a, b et c (en) Robert H. Perry et Donald W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, USA, McGraw-Hill,‎ 1997, 7e éd., 2400 p. (ISBN 0-07-049841-5), p. 2-50
  4. (en) Philip E. Ciddor, « Refractive index of air: new equations for the visible and near infrared », Applied Optics, vol. 35, no 9,‎ 1996, p. 1566-1573 (DOI 10.1364/AO.35.001566)
  5. (en) The keeling curve, sur le site keelingcurve.ucsd.edu, consulté le 15 mai 2013
  6. L'air fortement asséché contient en pratique encore des traces de vapeur d'eau.
  7. « Indice de réfraction de l'Air », sur olivier.fournet.free.fr (consulté le 4 mars 2010)
  8. Chemical Professionals
  9. Chemical Professionals, non trouvé le 11 août 2013
  10. Ce document du site de la WPI, sur le site wpi.edu

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]