Air

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

• 78,08 % de diazote ;
• 20,95 % de dioxygène ;
• moins de 1 % d'autres gaz dont :
  • des gaz rares, principalement :
    • de l'argon (0,93 %);
    • du néon (0,0018 %, 18 ppmv);
    • de l’hélium (5,2 ppmv);
    • du krypton (1,1 ppmv);
    • du xénon (0,09 ppmv).
  • du dioxyde de carbone (CO₂)~ 0,04 % (415 ppmv en avril 2021 [5]^,[6]^,[7]^,[8]),
  • du méthane 0,000187 % (1,87 ppmv en 2019[9]).

Il contient aussi des traces de dihydrogène 0,000072 % (0,72 ppmv), mais aussi d'ozone, ainsi qu'une présence infime de radon[10]. 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.

La plupart du temps, l'air de l'environnement terrestre est humide car il contient de la vapeur d'eau. Au voisinage du sol, la quantité de vapeur d'eau est très variable. Elle 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 :

Le pourcentage de vapeur d'eau présent dans l'air est mesuré par le taux d'hygrométrie, c'est un élément important pour les prévisions météorologiques. Il existe plusieurs grandeurs pour décrire l'hydrométrie : l'humidité absolue, qui correspond à la masse de vapeur d'eau par volume d'air; et l'humidité relative, qui correspond au 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. 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 sec est très homogène, la seule variation importante de la composition de l'air étant celle de la teneur en vapeur d'eau.

Représentation moléculaire de la composition de l'air sec.

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 (1 013,25 hPa) :

On prend généralement 1,293 kg/m³ à 0 °C et 1,204 kg/m³ à 20 °C.

Ceci est généralisé (formule des gaz parfaits) en : ${\displaystyle \rho =1,293\;\mathrm {kg/m^{3}} \cdot {\frac {273,15\;\mathrm {K} }{T}}\cdot {\frac {P}{101\;325\;{\text{Pa}}}}}$ (avec T en kelvins et P en pascals selon les conventions SI). Pour une température θ en degrés Celsius, la température T en kelvins est obtenue en ajoutant 273,15 à θ : T(K) = θ(°C) + 273,15.

Le potentiel de réchauffement global (PRG, en anglais : GWP : Global Warming Potential) 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 :

L'expression pour l'indice de réfraction de l'air « aux conditions standard » est[12] : ${\displaystyle n_{s}=1+6,4328\times 10^{-5}+{\frac {2,94981\times 10^{-2}}{146-\sigma ^{2}}}+{\frac {2,554\times 10^{-4}}{41-\sigma ^{2}}}}$

avec ${\displaystyle \sigma ={\frac {1\;000}{\lambda }}}$ où ${\displaystyle \lambda }$ est la longueur d'onde exprimée en nanomètres (nm), là où ${\displaystyle \sigma }$ 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 une température de 288,15 kelvins (15 °C).

On peut obtenir n pour une température ou pression différente, en utilisant l'une des deux expressions suivantes :

${\displaystyle n=1+(n_{\text{s}}-1)\times \left({\frac {p}{p_{\text{s}}}}\right)\times \left({\frac {T_{\text{s}}}{T}}\right)}$

avec :

• T, température exprimée en kelvins ;
• p, pression en pascals ;
• T_s, 288,15 K ;
• p_s, 101 325 Pa ;
• n_s, indice de réfraction de l'air donné ci-dessus,

ou :

${\displaystyle n=1+{\frac {(n_{\text{s}}-1)\times p\times (1+p\times \beta _{(T)})\times (1+T_{s}\times \alpha )}{p_{s}\times (1+p_{s}\times \beta _{15})\times (1+T\times \alpha )}}}$

avec :

• T, température en degrés Celsius ;
• T_s, 15 °C ;
• p, pression en mmHg ;
• p_s, 760 mmHg ;
• ${\displaystyle \alpha ~}$, 0,00366 K⁻¹ ;
• ${\displaystyle \beta _{(T)}~}$, (1,049 - 0,015 T)×10^-6 mmHg⁻¹ ;
• ${\displaystyle \beta _{15}~}$, 8,13×10^-7 mmHg⁻¹ ;
• n_s, indice de réfraction de l'air donné ci-dessus.

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

avec :

• T, température en kelvins ;
• ρ, masse volumique ;
• μ, viscosité dynamique ;
• ν, viscosité cinématique ;
• C_p, chaleur massique à pression constante ;
• λ, conductivité thermique ;
• a, diffusivité thermique ;
• Pr, nombre de Prandtl.

La relation entre la température et la conductivité thermique de l'air, valable pour une température comprise entre 100 K et 1 600 K est la suivante[14] :

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

où :

• ${\displaystyle T}$ : température exprimée en K
• ${\displaystyle \lambda }$ : conductivité thermique en W m⁻¹ K⁻¹

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

${\displaystyle \mu =8{,}8848\times 10^{-15}\ T^{3}-3{,}2398\times 10^{-11}\ T^{2}+6{,}2657\times 10^{-8}\ T+2{,}3543\times 10^{-6}}$

où :

• ${\displaystyle T}$ : température en K
• ${\displaystyle \mu }$ : viscosité dynamique en kg m⁻¹ s⁻¹

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

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

où :

• ${\displaystyle T}$ : température en K
• ${\displaystyle \nu }$ : viscosité cinématique en m²/s

D'après les informations du WPI (en)[15], la relation entre chaleur spécifique de l'air et la température est la suivante :

${\displaystyle C_{p}=1{,}9327\times 10^{-10}\ T^{4}-7{,}9999\times 10^{-7}\ T^{3}+1{,}1407\times 10^{-3}\ T^{2}-4{,}4890\times 10^{-1}\ T+1{,}0575\times 10^{3}}$

où :

• ${\displaystyle T}$ : température en K
• ${\displaystyle C_{p}}$ : chaleur spécifique en J kg⁻¹ K⁻¹

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.

L'air est formé de différents gaz qui, si 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 K), 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.

Température d'ébullition des composants de l'air

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 Heike Kamerlingh Onnes l’hélium, le gaz le plus difficile à liquéfier, en 1908.

Indépendamment de Carl von Linde, Georges Claude mit au point dès 1902 un procédé industriel de liquéfaction de l’air.

• 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.