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空气(地球周围气体)

空气(Air,kōng qì),我们每天都呼吸着的“生命气体”,它分层覆盖在地球表面,透明且无色无味,它主要由氮气和氧气组成,对人类的生存和生产有重要影响。

空气是指地球大气层中的气体混合,为此,空气属于混合物,它主要由 氮气、氧气、稀有气体(氦、氖、氩、氪、氙、氡),二氧化碳以及其他物质(如水蒸气、杂质等)组合而成。其中氮气的体积分数约为78%,氧气的体积分数约为21%,稀有气体(氦、氖、氩、氪、氙、氡)的体积分数约为0.934%,二氧化碳的体积分数约为0.04%(2017年最新数据),其他物质(如水蒸气、杂质等)的体积分数约为0.002%。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氧气和氮气组成的结论。19世纪末,科学家们又通过大量的实验发现,空气里还有氦、氩、氙等稀有气体。

在自然状态下空气是无色无味的。

空气中的氧气对于所有需氧生物来说是必须的。所有动物都需要呼吸氧气,绿色植物的呼吸作用也需要氧气。此外绿色植物利用空气中的二氧化碳进行光合作用,空气几乎是所有植物所需二氧化碳的唯一来源。

从地面到10~12千米以内的这一层空气,它是大气层最底下的一层,叫做对流层。主要的天气现象,如云、雨、雪、雹等都发生在这一层里。 在对流层的上面,直到大约50千米高的这一层,叫做平流层。平流层里的空气比对流层稀薄得多了,那里的水汽和尘埃的含量非常少,所以很少有天气现象了。从平流层以上到80千米这一层,有人称它为中间层,这一层内温度随高度降低。 在80千米以上,到500千米左右这一层的空间,叫做热层,这一层内温度很高,昼夜变化很大。

从地面以上大约50千米开始,到大约1000千米高的这一层,叫做电离层。美丽的极光就出现在电离层中。

在离地面500千米以上的叫外大气层,也叫磁力层,它是大气层的最外层,是大气层向星际空间过渡的区域,外面没有什么明显的边界。在通常情况下,上部界限在地磁极附近较低,近磁赤道上空在向太阳一侧,约有9~10个地球半径高,换句话说,大约有65000千米高。在这里空气极其稀薄。

空气无色无味,气态。

在0℃及一个标准大气压下(1.013×10^5 Pa)空气密度为1.293g/L 。把气体在0℃和一个标准大气压下的状态称为标准状态,空气在标准状态下可视为理想气体,其摩尔体积为22.4L/ mol。

空气的比热容与温度有关,温度为250K时,空气的定压比热容cp=1.003kJ/(kg*K).,300K时,空气的定压比热容cp=1.005kJ/(kg*K)

空气的相对分子质量是29。

常温下的空气是无色无味的气体,液态空气则是一种易流动的浅黄色液体。一般当空气被液化时二氧化碳已经清除掉,因而液态空气的组成是20.95%氧,78.12%氮和0.93%氩,其它组分含量甚微,可以略而不计。

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的折射率约为1.00029。它随气压、气温和空气成分变化。尤其湿度对于折射率的影响比较大,相应地光速在空气中也随之改变。

比热容:

= 1.005 kJ/(kg K) = 0.279 kWh/(Tonne K)(等压过程)

= 0.718 kJ/(kg K) = 0.199 kWh/(Tonne K)(等容过程)

不含水蒸气的空气被称为干空气。干空气的气体常数为2.8704*10**6erg g**(-1) K**(-1),平均分子量=28.966g mol**(-1) ,定压比热=7R/2=0.240 cal g**(-1) K**(-1),干空气定容比热=5R/2=0.171 cal g**(-1) K**(-1)。

体积含量

氮气:78.09%

氧气:20.95%

稀有气体:0.932%

二氧化碳:0.034%

水和杂质:0.002%

空气是多种气体的混合物。它的恒定组成部分为氧气、氮气、氩气和氖气等稀有气体,可变组成部分为二氧化碳和水蒸气,它们在空气中的含量随地理位置和温度不同在很小限度的范围内会微有变动。至于空气中的不定组成部分,则随不同地区变化而有不同,例如,靠近冶金工厂的地方会含有二氧化硫,靠近氯碱工厂的地方会含有氯等等。此外空气中还有微量的氢气、臭氧、氧化二氮、甲烷以及或多或少的尘埃。

实验证明,空气中恒定组成部分的含量百分比,在离地面100km高度以内几乎是不变的。以体积含量计,氧约占20.95%,氮约占78.09%,稀有气体约占0.934%。

一般说来,空气的成分是比较固定的。这对于人类和其它动植物的生存是非常重要的。但随着现代化工业的发展,排放到空气中的有害气体和烟尘,改变了空气的成分,造成了对空气的污染。被污染了的空气会严重地损害人体的健康,影响作物的生长,造成对自然资源以及建筑物等的破坏。

排放到空气中的有害物质,大致可分为粉尘和气体两大类。从世界范围看,排放到空气中的气体污染物较多的是二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮等。这些气体主要来自矿物燃料(煤和石油)的燃烧和工厂的废气。 [1]

空气包裹在地球的外面,厚度达到数千千米。这一层厚厚的空气被称为大气层。大气层分为对流层、平流层(同温层)、中间层、电离层(暖层)和散逸层。我们生活在最下面的一层(即对流层)中。在平流层,空气要稀薄的多,这里有一种叫做“臭氧(氧气的同素异形体O3)”的气体,它可以吸收太阳光中有害的紫外线。中间层又称中层,自平流层顶到85千米之间的大气层。再上面是电离层,这里的空气处于部分电离或完全电离的状态,电离层是部分电离的大气区域,完全电离的大气区域称磁层。电离层的作用非常重要,它可以将无线电波反射到世界各地。若不考虑水蒸气、二氧化碳和各种碳氢化合物,则地面至100km高度的空气平均组成保持恒定值。在25km高空臭氧的含量有所增加。在更高的高空,空气的组成随高度而变,且明显地同每天的时间及太阳活动有关。

200多年前法国科学家拉瓦锡(Lavoisier,1743~1794)用定量试验的方法测定了空气成分。

他把少量汞放在密闭容器中加热12天,发现部分汞变成红色粉末HgO,同时,空气体积减少了1/5左右。通过对剩余气体的研究,他发现这部分气体不能供给呼吸,也不助燃,他误认为这全部是氮气。

拉瓦锡又把加热生成的红色粉末收集起来,放在另一个较小的容器中再加热,得到汞和氧气,且氧气体积恰好等于密闭容器中减少的空气体积。他把得到的氧气导入前一个容器,所得气体和空气性质完全相同。

通过实验,拉瓦锡得出了空气用氧气和氮气组成,氧气占其中的1/5。 [2]

19世纪前,人们认为空气中仅有氮气(N2)与氧气(O2)。直到1892年,英国物理学家雷利发现从空气中分离氧气后得到“氮气”的密度(1.2572g/L)与分解含氮物质所得的氮气密度(1.2505g/L)之间总是存在着微小的差异。雷利没有放过这一个微小的差异,他后来与英国化学家拉姆塞(William Ramsay 1852一1916)合作,终于发现空气中还存在着一种化学性质不活泼的“惰性”气体---氩气(Ar)。在接下来的几年中,拉姆塞等人又陆续发现了氦气(He),氖气(Ne),氙气(Xe)氪气(Kr)氡气(Rn)这六种稀有气体。

人们已能精确测量空气成分。

假如没有空气,我们的地球上将是一片荒芜的沙漠,没有一丝生机。绿色植物利用空气中的二氧化碳以及阳光和水合成营养物质,在此过程中,氧气被释放出来,人类和其他动物呼吸空气来获取氧气,动物还需要氧气从摄入的食物中获取能量。

工业的发展,向空气排放了有害物质,污染了空气,使空气里增加了有害成分。当空气里的有害物质达到一定浓度后,就会严重地损害人类的健康和农作物的生长,破坏了某些物质,又会使人的能见度降低,影响交通安全等等。因此,必须大力防止空气的污染。

排放到空气里的有害物质,可以分为以下几类:粉尘类(如炭粒等),金属尘类(如铁、铝等),湿雾类(如油雾、酸雾等),有害气体类(如一氧化碳、硫化氢、氮的氧化物等)。从世界范围来看,排放量较多、危害较大的有害气体是二氧化硫和一氧化碳。二氧化硫是煤、石油在燃烧中产生的。一氧化碳主要是汽车开动时排出的。从全球估计,一氧化碳的排出量超过二氧化硫的排出量。

根据国家环保局统一规定,我国空气质量分为5级。它是将一系列复杂的空气监测数据,按一定方法处理后,算出其空气污染指数具体是多少,然后再确定其空气质量等级。

其具体标准如下:当空气污染指数达050时为1级;51100时为2级;101200时为3级;201300时为4级;300以上时为5级。其中3级属于轻度污染,4级属于中度污染,5级则属于重度污染。

2012年2月,国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》增加了PM2.5监测指标。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物,也称为可入肺颗粒物。PM2.5指标表示每立方米空气中这种颗粒的含量,这个值越高,就代表空气污染越严重。 [3]

通常用于表示湿度的高低,以 %RH 为单位。它反映空气接近饱和 状态的能力。湿度越大,表示空气越接近饱和状态。相反湿度越小,空气越干燥。

由于地球有强大的吸引力,使百分之八十的空气集中在离地面平均为十五公里的范围里。这一空气层对人类生活、生产活动影响很大。人们通常所说的大气污染指的是这一范围内的空气污染。

空气是地球上的动植物生存的必要条件,动物呼吸、植物光合作用都离不开空气;大气层可以使地球上的温度保持相对稳定,如果没有大气层,白天温度会很高,而夜间温度会很低;臭氧层可以吸收来自太阳的紫外线,保护地球上的生物免受伤害;大气层可以阻止来自太空的高能粒子过多地进入地球,阻止陨石撞击地球,因为陨石与大气摩擦时既可以减速又可以燃烧;风、云、雨、雪的形成都离不开大气;声音的传播要利用空气;降落伞、减速伞和飞机也都利用了空气的作用力;一些机器要利用压缩空气进行工作。


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