De los cinco componente principales del aire, el nitrógeno, el oxígeno y el argón son considerados gases permanentes, porque su concentración no varía de forma sustancial en el tiempo, ya que tienen un periodo de permanencia muy grande (se consideran gases permanentes aquellos con una duración media de las moléculas en la atmósfera superior a 1 .000 años). La tabla siguiente recoge ¡a proporción en la que se hallan los distintos gases que componen el aire atmosférico en las proximidades del suelo, así como su tiempo de permanencia:
En las proporciones que figuran en el cuadro anterior, ninguno de los gases es considerado como contaminante, ya que forman parte de la composición natural del aire. Sin embargo, entre ellos aparecen muchos que, habitualmente, se identifican como contaminantes: el dióxido de carbono, el sulfuro de hidrógeno, los óxidos de nitrógeno y de azufre o el propio ozono. Esto es así cuando su concentración en el aire supera sustancialmente la que corresponde al equilibrio natural de la atmósfera, de forma que, cuando éste se altera, hablamos de contaminantes atmosféricos.
El aire que respiramos, aun en su estado más puro, contienen también partículas sólidas y liquidas en suspensión, lo suficientemente pequeñas como para que su tiempo de permanencia en la atmósfera sea importante. Muchas de estas partículas, llamadas aerosoles, son emitidas por fuentes industriales o urbanas, aunque también pueden hallarse de forma natural en la atmósfera. Una parte de ellas procede de reacciones químicas entre los gases contaminantes.
El vapor de agua representa aproximadamente el 4% en volumen del aire situado cerca del suelo; es resultado de la evaporación de las aguas superficiales de océanos y mares y de la transpiración de las plantas. Sin embargo, su bajo peso molecular hace que sea transportado con relativa facilidad hacia arriba por las corrientes ascendentes, hasta una altura máxima de 10-12 km sobre la superficie terrestre, franja en la que la turbulencia es más efectiva. A alturas superiores la concentración de vapor de agua en el aire es prácticamente nula.
¿Podemos considerar al aire como un gas perfecto?
Si prescindimos del vapor de agua —dado su bajo tiempo de permanencia en la atmósfera (del orden de 10 días)—, de todos los gases que forman parte de la composición del aire en muy pequeña proporción y de las posibles impurezas presentes en el mismo, podemos hablar de aire seco o aire puro con una composición fija hasta alturas de 16 km:
— N2: 755,5 g/kg. aire seco.
—02: 231,4g/kg. aire seco.
— Ar: 13,1 g/kg. aire seco.
El hecho de que estos gases se hallen en unas condiciones de presión y temperatura muy alejadas de las críticas para cada uno de ellos, hace que podamos identificar el aire seco con un gas perfecto a la hora de describir la evolución térmica de la atmósfera. El efecto del vapor de agua en el aire es mínimo mientras no se den condiciones que favorezcan su condensación.
Evolución termodinámica del aire
La mezcla de los gases que componen el aire atmosférico es muy homogénea hasta niveles muy altos, debido a la agitación atmosférica. Esto quiere decir que los gases están perfectamente mezclados entre sí, algo que no ocurriría si no existiera turbulencia, ya que en este caso los gases más ligeros ascenderían más rápido que los más pesados y el aire que respiraríamos los seres vivos estaría formado casi en exclusiva por nitrógeno y oxígeno.
Una de las principales características de la atmósfera desde el punto de vista termodinámico es que la temperatura del aire desciende, en general, con la altura. No obstante, existen estratos en los que ocurre exactamente lo contrario; son las denominadas inversiones térmicas, que se caracterizan por una gran estabilidad que impide las corrientes verticales y los movimientos turbulentos (favorecen, por tanto, la concentración de contaminantes por debajo de ellas).
Aire frío y cálido. Su influencia en el comportamiento de la atmósfera: Una masa de aire frío es aquella que se halla a temperatura inferior que el suelo sobre el que se encuentra. Normalmente proviene de latitudes altas y. por tanto, según evoluciona hacia latitudes más bajas se va calentando. Se trata de una masa de aire inestable, en la que se desarrollan con facilidad corrientes verticales convectivas como resultado del calor que absorben del suelo, y también corrientes turbulentas. El efecto de estas corrientes es la dispersión por toda la masa de aire del vapor de agua y de las partículas de polvo procedentes del suelo. Por eso, las capas bajas de la atmósfera quedan limpias de impurezas y proporcionan una gran visibilidad.
Por el contrario, una masa de aire cálido posee mayor temperatura que el suelo sobre el que se halla, ya que normalmente procede de bajas latitudes y evoluciona hacia las más altas. Al estar el suelo más frío, las capas más bajas de la masa de aire se enfrían antes que las superiores, por lo que suele producirse una «inversión de tierra», es decir, una inversión térmica junto al suelo, en la que la temperatura del aire aumenta con la altura. Las corrientes verticales en estas capas, por tanto, quedan impedidas, lo que hace que se acumulen el vapor de agua y las partículas de polvo en la zona más próxima al suelo, dificultando la visibilidad.
En primavera ocurre que, aunque el aire no procede de latitudes frías, se comporta como una masa fría por efecto de la radiación solar, que empieza a ser cada vez más fuerte y hace que el suelo se caliente antes que el aire. Por eso suelen darse días muy claros y limpios en esta época del año. Por el contrario, las nieblas son características del otoño, debido al fenómeno opuesto: al decrecer la radiación solar, el suelo se enfría antes que el aire que se halla sobre él, por lo que éste se comporta como una masa cálida aunque no provenga de latitudes bajas. La inversión térmica que se produce hace que se acumule el vapor de agua, dando origen a la niebla.
Propiedades físicas del aire
• Expansión: Aumento de volumen de una masa de aire al verse reducida la presión ejercida por una fuerza o debido a la incorporación de calor.
• Contracción: Reducción de volumen del aire al verse presionado por una fuerza, pero este llega a un límite y el aire tiende a expandirse después de ese límite.
• Fluidez: Es el flujo de aire de un lugar de mayor a menor concentración sin gasto de energía.
• Presión atmosférica: Fuerza que ejerce el aire a todos los cuerpos.
• Volumen: Es el espacio que ocupa el aire.
• Masa
• Densidad
Propiedades químicas del aire
Actualmente se conoce con bastante exactitud la composición del aire. Éstos pueden ser divididos en:
• Componentes fundamentales: nitrógeno (78,1%) y el oxígeno (20,9%).
• Componentes secundarios: gases nobles y dióxido de carbono (1%).
• Contaminantes: Monóxido de nitrógeno, ozono, dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno, amoníaco y monóxido de carbono.
• Componentes universales: agua (en sus 3 estados) y polvo atmosférico (humo, sal, arena fina, cenizas, esporas, polen, microorganismos, etc.). Las proporciones de vapor de agua varían según el punto geográfico de la tierra.
Las proporciones de estos gases se pueden considerar exactas más o menos a 25 km de altura.
¿La presión del aire aumenta con la temperatura?
El peso de los gases que componen la atmósfera ejerce una presión (fuerza por unidad de superficie) sobre todos los objetos que se encuentran inmersos en ella.
Esta presión es directamente proporcional con la temperatura, es decir, a mayor presión, mayor temperatura y viceversa, porque al aumentar la temperatura las moléculas poseen mayor agitación térmica (se mueven más rápido; tienen mayor energía cinética) lo que se traduce en un mayor número de choques entre ellas y contra las paredes del recipiente, aumentando así la fuerza por unidad de superficie.
¿Por qué un globo inflado se “chupa” en un matraz que posee 200 ml de agua en ebullición?
El agua que está hirviendo está pasando del estado líquido al gaseoso.
Estas moléculas en forma de vapor de agua penetran en el interior del globo donde se hallan las moléculas de aire.
Como están a mayor temperatura que lo normal, el volumen del gas se encuentra dilatado, es decir, ha aumentado su volumen.
Sin embargo, cuando se enfría, los gases se contraen y disminuyen su volumen, provocando que el globo se “chupe”
¿Cómo se relaciona el aire con la presión interna y la externa?
La atmósfera es una capa de gases que rodea a nuestro planeta. Esta capa de gases está constituida por el aire, el cual, como ya se dijo anteriormente, es una mezcla de gases que ejerce una presión sobre todos los objetos que se encuentran inmersos en ella, porque tiene peso.
Esta presión se llama Presión atmosférica y alcanza su máximo valor a nivel del mar: 1.033 kilogramos por centímetro cuadrado de superficie y disminuye a medida que se aleja del mar.
La presión atmosférica se expresa en la unidad de presión llamada atmósfera.
Las moléculas del aire se dilatan cuando el movimiento molecular aumenta, y se contraen cuando el movimiento disminuye.
La causa del movimiento molecular se debe a la temperatura. Todo esto se traduce en la presión interna entre las moléculas.
¿Ejerce el aire presión hacia arriba?
La presión es la fuerza que un cuerpo ejerce por cada unidad de superficie de apoyo. En el caso de la atmósfera, el cuerpo que ejerce la fuerza sobre la superficie terrestre es el aire, y como gas ejerce esa presión en todas direcciones, también hacia arriba.
Aire: factores que lo influyen
Tres son los factores que influyen en las variaciones del aire sobre la atmósfera: la temperatura, la presión atmosférica y la humedad.
La temperatura
El sol emite radiación, la cual se propaga por el espacio y llega finalmente a la Tierra.
Un porcentaje de la energía es absorbida por la tierra y esta, a su vez, la refleja y calienta las primeras capas de la atmósfera.
En este nivel, la presencia de CO2 y vapor de agua permiten mantener una temperatura adecuada en el aire, evitando que la energía se disperse a capas superiores.
Se deduce que la temperatura atmosférica corresponde al mayor o menor cantidad de calor que se transfiere a la atmósfera.
Factores
La temperatura es modificada por tres factores:
1. La latitud: siempre la temperatura del aire en la línea del Ecuador será mayor, ya que los rayos solares en este punto caen más perpendiculares y, por lo tanto, el grado de absorción por la tierra también es mayor. Desde este punto hacia los Polos, la temperatura disminuye, ya que los rayos solares llegan más inclinados.
2. La altitud: la temperatura de la atmósfera va disminuyendo a medida que se establece mayor distancia respecto de la tierra. Esto se debe al hecho de que las capas de la troposfera se van calentando desde lo más cercano a la tierra, hacia arriba. Por ejemplo, en la cima de una montaña, la temperatura siempre va a ser menor que en la base de ella.
3. Cercanía al mar: la temperatura atmosférica no sufre grandes variaciones, porque el agua se calienta y enfría más lentamente que la tierra.
La presión atmosférica
La presión atmosférica es otro de los elementos que influye en las características y condiciones del aire. Corresponde a la fuerza que ejerce el peso del aire sobre los cuerpos o superficies de la Tierra.
Los factores que modifican la presión son varios:
Altura: a mayor altura existe una menor presión. Esto se explica porque a mayor altura, existe una cantidad inferior de moléculas, es decir, el aire es menos denso. Por esta menor densidad, el peso del aire es menor, por lo tanto, allí la atmósfera ejerce menor presión. Un hecho común donde se puede detectar esta variación, es en la ebullición de los líquidos, a distinta altura. Por ejemplo: si se toma una cantidad de agua y se hierve en Santiago, esto demora un tiempo determinado; pero si la misma cantidad se hierve en una ciudad que está a 3.000 metros de altura, el tiempo será menor. Esto se basa en que en la ebullición de un líquido se debe lograr cierta presión y esta debe igualar o superar el valor de la presión atmosférica.
Temperatura: cada vez que las masas de aire se calientan por un aumento de la temperatura, se hacen menos densas y esto determina que el aire ascienda, provocando una disminución en la presión atmosférica. Este fenómeno provoca zonas de la atmósfera con mayor presión y otras de menor, generándose movimientos de aire, es decir, los vientos.
La humedad
Es el tercer factor que hace variar a la atmósfera. Corresponde a la cantidad de vapor de agua que existe en la atmósfera. La humedad del aire es variable y depende fundamentalmente del grado de evaporación de los océanos u otras fuentes de agua. Disminuye con las lluvias o precipitaciones.
La humedad del aire está relacionada con la temperatura. Si la temperatura es mayor, más humedad se retendrá en la atmósfera.
La humedad atmosférica es determinante para la cantidad y distribución de los seres vivos sobre la tierra.
Propiedades físicas del aire
• Expansión: Aumento de volumen de una masa de aire al verse reducida la presión ejercida por una fuerza o debido a la incorporación de calor.
• Contracción: Reducción de volumen del aire al verse presionado por una fuerza, pero este llega a un límite y el aire tiende a expandirse después de ese límite.
• Fluidez: Es el flujo de aire de un lugar de mayor a menor concentración sin gasto de energía.
• Presión atmosférica: Fuerza que ejerce el aire a todos los cuerpos.
• Volumen: Es el espacio que ocupa el aire.
• Masa
• Densidad
Propiedades químicas del aire
Actualmente se conoce con bastante exactitud la composición del aire. Éstos pueden ser divididos en:
• Componentes fundamentales: nitrógeno (78,1%) y el oxígeno (20,9%).
• Componentes secundarios: gases nobles y dióxido de carbono (1%).
• Contaminantes: Monóxido de nitrógeno, ozono, dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno, amoníaco y monóxido de carbono.
• Componentes universales: agua (en sus 3 estados) y polvo atmosférico (humo, sal, arena fina, cenizas, esporas, polen, microorganismos, etc.). Las proporciones de vapor de agua varían según el punto geográfico de la tierra.
Las proporciones de estos gases se pueden considerar exactas más o menos a 25 km de altura.
¿La presión del aire aumenta con la temperatura?
El peso de los gases que componen la atmósfera ejerce una presión (fuerza por unidad de superficie) sobre todos los objetos que se encuentran inmersos en ella.
Esta presión es directamente proporcional con la temperatura, es decir, a mayor presión, mayor temperatura y viceversa, porque al aumentar la temperatura las moléculas poseen mayor agitación térmica (se mueven más rápido; tienen mayor energía cinética) lo que se traduce en un mayor número de choques entre ellas y contra las paredes del recipiente, aumentando así la fuerza por unidad de superficie.
¿Por qué un globo inflado se “chupa” en un matraz que posee 200 ml de agua en ebullición?
El agua que está hirviendo está pasando del estado líquido al gaseoso.
Estas moléculas en forma de vapor de agua penetran en el interior del globo donde se hallan las moléculas de aire.
Como están a mayor temperatura que lo normal, el volumen del gas se encuentra dilatado, es decir, ha aumentado su volumen.
Sin embargo, cuando se enfría, los gases se contraen y disminuyen su volumen, provocando que el globo se “chupe”
¿Cómo se relaciona el aire con la presión interna y la externa?
La atmósfera es una capa de gases que rodea a nuestro planeta. Esta capa de gases está constituida por el aire, el cual, como ya se dijo anteriormente, es una mezcla de gases que ejerce una presión sobre todos los objetos que se encuentran inmersos en ella, porque tiene peso.
Esta presión se llama Presión atmosférica y alcanza su máximo valor a nivel del mar: 1.033 kilogramos por centímetro cuadrado de superficie y disminuye a medida que se aleja del mar.
La presión atmosférica se expresa en la unidad de presión llamada atmósfera.
Las moléculas del aire se dilatan cuando el movimiento molecular aumenta, y se contraen cuando el movimiento disminuye.
La causa del movimiento molecular se debe a la temperatura. Todo esto se traduce en la presión interna entre las moléculas.
¿Ejerce el aire presión hacia arriba?
La presión es la fuerza que un cuerpo ejerce por cada unidad de superficie de apoyo. En el caso de la atmósfera, el cuerpo que ejerce la fuerza sobre la superficie terrestre es el aire, y como gas ejerce esa presión en todas direcciones, también hacia arriba.
Aire: factores que lo influyen
Tres son los factores que influyen en las variaciones del aire sobre la atmósfera: la temperatura, la presión atmosférica y la humedad.
La temperatura
El sol emite radiación, la cual se propaga por el espacio y llega finalmente a la Tierra.
Un porcentaje de la energía es absorbida por la tierra y esta, a su vez, la refleja y calienta las primeras capas de la atmósfera.
En este nivel, la presencia de CO2 y vapor de agua permiten mantener una temperatura adecuada en el aire, evitando que la energía se disperse a capas superiores.
Factores
La temperatura es modificada por tres factores:
1. La latitud: siempre la temperatura del aire en la línea del Ecuador será mayor, ya que los rayos solares en este punto caen más perpendiculares y, por lo tanto, el grado de absorción por la tierra también es mayor. Desde este punto hacia los Polos, la temperatura disminuye, ya que los rayos solares llegan más inclinados.
2. La altitud: la temperatura de la atmósfera va disminuyendo a medida que se establece mayor distancia respecto de la tierra. Esto se debe al hecho de que las capas de la troposfera se van calentando desde lo más cercano a la tierra, hacia arriba. Por ejemplo, en la cima de una montaña, la temperatura siempre va a ser menor que en la base de ella.
3. Cercanía al mar: la temperatura atmosférica no sufre grandes variaciones, porque el agua se calienta y enfría más lentamente que la tierra.
La presión atmosférica
La presión atmosférica es otro de los elementos que influye en las características y condiciones del aire. Corresponde a la fuerza que ejerce el peso del aire sobre los cuerpos o superficies de la Tierra.
Los factores que modifican la presión son varios:
Altura: a mayor altura existe una menor presión. Esto se explica porque a mayor altura, existe una cantidad inferior de moléculas, es decir, el aire es menos denso. Por esta menor densidad, el peso del aire es menor, por lo tanto, allí la atmósfera ejerce menor presión. Un hecho común donde se puede detectar esta variación, es en la ebullición de los líquidos, a distinta altura. Por ejemplo: si se toma una cantidad de agua y se hierve en Santiago, esto demora un tiempo determinado; pero si la misma cantidad se hierve en una ciudad que está a 3.000 metros de altura, el tiempo será menor. Esto se basa en que en la ebullición de un líquido se debe lograr cierta presión y esta debe igualar o superar el valor de la presión atmosférica.
La humedad
Es el tercer factor que hace variar a la atmósfera. Corresponde a la cantidad de vapor de agua que existe en la atmósfera. La humedad del aire es variable y depende fundamentalmente del grado de evaporación de los océanos u otras fuentes de agua. Disminuye con las lluvias o precipitaciones.
La humedad atmosférica es determinante para la cantidad y distribución de los seres vivos sobre la tierra.
