L'aria e i gas

Materie:	Appunti
Categoria:	Chimica
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Data:	14.11.2001
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L’aria ed i gas

L’aria esiste
L’esistenza dell’aria è dimostrata dai seguenti fenomeni:
1. mentre cammini con una candela accesa in mano, l’aria fa piegare la fiamma;
2. un essere vivente posto sotto una campana di vetro in assenza di aria sarebbe destinato a morire;
3. la fiamma posta sotto una campana senza aria si spegne;
4. un bicchiere capovolto immerso nell’acqua non si riempie completamente di questa per la resistenza opposta dall’aria in esso contenuta.
L’aria è un miscuglio di gas.
L’aria è un insieme di gas; è composta da sostanze semplici: le principali sono azoto =N2 e l’ossigeno =O2. Esse chimicamente si abbreviano rispettivamente con N e O il n° 2 indica il numero di atomi uguali di cui è composta la molecola. E’ composta per il 78% circa da N2: una sostanza incolore, inodore ed inerte ossia non combustibile, proprio per questa sua caratteristica rallentando la combustione impedisce all’aria di incendiarsi, estremamente utile in quanto assorbe gran parte delle radiazioni nocive emesse dal sole (ultraviolette UV) e per il 21% circa da O2: una sostanza incolore, inodore essenziale per la vita degli esseri viventi. Il restante 1% circa è composto da anidride carbonica =CO2 inodore, incolore, inerte e solubile in acqua, assorbita dalle piante e trasformato in composto quale nutrimento delle stesse, da idrogeno =H il più leggero, forma una miscela esplosiva se in presenza di ossigeno e da sei gas (argo, elio, neon, cripto, xeno, rado) chiamati nobili perché difficilmente combinabili con altre sostanze od elementi.

L’atmosfera egli strati che la compongono
L’aria forma intorno alla Terra un involucro gassoso chiamata atmosfera, non omogenea né come composizione né come concentrazione di molecole di gas, ha un’importanza essenziale per la Terra: avvolgendola le fa da “coperta” controllandone la temperatura in superficie (senza questa funzione il pianeta avrebbe una temperatura di –20°C.), le fa da “schermo” proteggendola dalle radiazione nocive agli organismi viventi provenienti dallo spazio e dagli oggetti che dallo spazio sono diretti verso la superficie del pianeta rimanendone distrutti. Infine l’aria contenuta consente la respirazione degli esseri viventi e la combustione. Dal suolo fino a circa 12 km di altezza prende il nome di troposfera e rappresenta i ¾ della massa totale dell’aria; questa è composta da N2 ed O2 in percentuale del 78% e 21%.
La sua temperatura diminuisce dal valore che ha al suolo in misura di circa 6°C. ogni km di altezza. Nella troposfera si originano i venti e vi si trova tutto il vapore acqueo e per questo è proprio nella troposfera che vengono i fenomeni meteorologici.
Al di sopra della troposfera si estende uno strato di transizione, chiamato tropopausa che ha temperatura compresa tra i 70 e 80°C sotto zero, con uno spessore modesto e al disopra del quale comincia la stratosfera. Essa è costituita
da gas molto rarefatti, che si dispongono a strati in base alla loro densità. Questa zona si estende fino ad un’altezza di 40-50 km; in essa la temperatura tende a salire man mano che si va verso l’alto, a causa dell’irraggiamento solare. All’interno della stratosfera, tra i 25 e i 35 km di altezza, si trova l’ozonosfera, una fascia che ha una particolare composizione in quanto ricca di N2.
Al di sopra si estende la mesosfera che giunge fino ad 80/90 km di altezza; la sua caratteristica è data dalla presenza di gas ancora più rarefatti e da una temperatura ancora inferiore che scende fino a circa -130°C. In essa si evidenziano le meteore originate da piccoli corpi celesti chiamati meteoriti, che entrando in contatto con gli strati più densi dell’atmosfera diventano incandescenti, consumandosi completamente e tracciando scie luminose.
Segue poi la ionosfera, uno strato ampio che raggiunge i 500 km dal suolo in cui la temperatura diviene molto alta fino ai 1500°C., per questo viene anche detta termosfera, cioè ”sfera del calore”.
L’esosfera è infine la parte più esterna dell’atmosfera in cui la temperatura supera i 2700°C. e gli urti fra le molecole di gas si fanno sempre più rari.

La pressione dell’aria
La forza esercitata dall’aria si chiama pressione. Poiché l’aria è un gas, si lascia comprimere. Nel comprimersi diminuisce il suo volume; però a mano a mano che viene compressa, essa sviluppa una pressione sempre maggiore. L’aria esercita una pressione perché è formata da materia: ha quindi un peso.
Ogni cm2 della superficie terrestre (e quindi anche il nostro corpo) sopporta il peso di una colonna d’aria sovrastante, avente per base 1 cm2 e per altezza lo spessore dell’atmosfera.
Si chiama pressione atmosferica il peso della colonna d’aria che grava su di un cm2 di superficie terrestre.
La pressione atmosferica a livello del mare, vale “normalmente” 1,033 kg\cm2; questo valore era stato inizialmente preso come unità di misura della pressione, si chiamava atmosfera (atm.): 1 atm. vale dunque 1,033 kg\cm2.
Un’altra unità di misura della pressione è il torr, o millimetro di mercurio (mmHg),:1 atm. equivale a 760 mmHg. Molto usato è invece il millibar (mbar) equivalente a 1\1000 di atm., circa:1 atm. equivale a 1033 mbar.
L’unità di misura ufficiale, nel SI, è però il pascal (Pa).
La pressione atmosferica e l’altitudine
La pressione atmosferica sul suolo non è costante; il suo valore è misurato “a livello del mare”. La colonna d’aria che grava su di noi è minore se ci troviamo ad un livello più alto di quello del mare. A 6000 m la pressione atmosferica si dimezza e l’aria è così rarefatta che si rende necessario l’impiego di respiratori.
La pressione atmosferica dunque varia con l’altitudine ed è per questo che ogni sua misura viene riferita al livello del mare: altitudine 0.
La pressione e i cambiamenti di stato
La pressione ha influenza sui cambiamenti di stato, sui quali agisce ostacolandone il verificarsi o facilitandolo.
Nel caso dell’ebollizione: un aumento di pressione fa innalzare la temperature alla quale avviene il fenomeno. Quando la pressione è superiore a quella atmosferica, è indispensabile una temperatura superiore ai 100°C per riscaldare l’acqua fino al puto di ebollizione.
Nella pentola a pressione, che è ermeticamente chiusa, a mano a mano che l’acqua si riscalda la pressione aumenta, perché all’aria si aggiunge vapore acqueo: dilatandosi entrambi col calore, e non potendo espandersi, esercitano sull’acqua una pressione maggiore. L’acqua bollirà dunque a una temperatura maggiore di 100°C.
Quando invece la pressione è inferiore a quella che si riscontra al livello del mare, si verifica il fenomeno opposto: in montagna, dove la pressione atmosferica è minore, l’acqua bolle ad una temperatura inferiore ai 100°C.
Un altro effetto della pressione sui gas è il loro passaggio allo stato liquido. L’aria si mantiene si mantiene liquida se conservata, in bombole, a una pressione inferiore alla pressione atmosferica, mentre passa velocemente allo stato gassoso all’aumentare di tale valore.
Perché l’aria che esce da un pneumatico è fresca?
L’aria che esce si espande e l’espansione di un gas coincide con una sua diminuzione di temperatura. Viceversa, se un gas viene compresso si riscalda.
L’aria è formata da molecole: nella pressione le molecole si avvicinano e facendo attrito fra di loro si riscaldano.
Il contrario avviene nella decompressione: l’energia cinetica che si era accumulata si libera e le molecole tornano ad espandersi; provocando l’abbassamento di temperatura dell’aria.