Zrak

Zrak	Ovaj članak ili dio članka nije pokriven izvorima. Pomozite Wikipediji navođenjem odgovarajućih knjiga, članaka u časopisima ili internetskih stranica.

Zrak je smjesa plinova što je kao omotač vezana uz Zemlju pretežno gravitacijskim silama.

Sastav Zemljine atmosfere. Donji prikaz predstavlja najmanje uobičajene plinove koje čine samo 0,038% atmosfere.

Dijagram ugljikovog ciklusa.

Zrak je smjesa plinova što je kao omotač vezana uz Zemlju pretežno gravitacijskim silama, sudjeluje u njezinoj vrtnji, tvori Zemljinu atmosferu i nužna je za život na Zemlji. Ukupna masa suhoga zraka iznosi 5,1 · 10¹⁸ kilograma (približno milijunti dio Zemljine mase).

Toplinski procesi u atmosferi

Atmosferski zrak je smjesa suhog zraka i vodene pare. Sadržaj vodene pare i promjene koje nastaju pri prijelazu vodene pare u tekuće i kruto stanje, odnosno pri prijelazu iz tih stanja u vodenu paru, imaju osobito značenje u atmosferskim procesima. Budući da je količina vodene pare u zraku uvijek malena, to se u mnogim termodinamičkim procesima u atmosferi ne uzima vodena para u obzir, nego se zrak smatra plinskim medijem jedne faze sve dok ne dođe do zasićenja vodenom parom (kondenzacija). Zato se odvojeno razmatra suhi zrak i vlažni zrak koji je zasićen vodenom parom.

Zemljina atmosfera

Podrobniji članak o temi: Zemljina atmosfera

Pod Zemljinoj atmosferom se razumijeva zrak (smjesa plinova koja okružuje Zemlju i sudjeluje u njezinoj vrtnji). Osnovni su sastojci zraka (volumni udio): dušik (78,08%), kisik (20,95%), argon (0,93%), te u promjenjivim količinama vodena para (0 do 4%) i ugljikov dioksid (0,03%), a u neznatnim količinama vodik, helij, ozon, metan, amonijak, ugljikov monoksid, kripton i ksenon. Količina vodene pare u atmosferi promjenjiva je, ovisno o temperaturi, a udio se smanjuje i s visinom. U najnižim slojevima atmosfere ima sitnih čestica anorganskoga (sol, prašina, pepeo) i organskog podrijetla (pelud i mikrobi), te olovnih, dušikovih i sumpornih spojeva i čađe, što je posljedica emisije industrije i prometa. Pojedini oksidi dušika i sumpora veliki su zagađivači, osobito zbog djelovanja kiselih kiša i utječu na čovjekovo zdravlje. Posebnu važnost ima ugljikov dioksid, zbog uloge u zagrijavanju atmosfere (staklenički učinak). Količina ugljikovog dioksida posljednjih stotinu godina neprekidno se povećava zbog izgaranja fosilnih goriva. U posljednjih desetak godina porasla je za više od 10%.

Životinje, biljke i čovjek udišu kisik, ali biljkama je potreban ugljikov dioksid za fotosintezu. Topliji zrak je lakši od hladnijeg te se on diže gore, a hladniji se spušta dolje. Na velikim visinama nalazi se vrlo malo zraka, a u svemiru ga nema.

Kemijski sastav zraka

Današnji volumni udjel kisika, najvažnijega sastojka zraka za postojeće oblike života na Zemlji, postignut je prije približno 400 do 500 milijuna godina kao posljedica fotosinteze zelenih biljaka u oceanima. Istodobno je fotolizom kisika u višim slojevima atmosfere nastajao ozon, koji štiti žive organizme od štetnoga djelovanja Sunčeva ultraljubičastoga zračenja. Čisti, suhi zrak plin je bez boje, okusa i mirisa. Njegova prosječna fizikalna svojstva ovise o temperaturi, tlaku i nadmorskoj visini. Prosječna je molna masa suhoga zraka 28,97 g/mol, a gustoća na morskoj razini, pri tlaku od 101 325 Pa i temperaturi 0 °C, iznosi 1,295 kg/m³, odnosno 1,2250 kg/m³ pri prosječnoj temperaturi na Zemlji (15 °C). Miješanjem zračnih masa različite gustoće, temperature i tlaka nastaje vjetar. Iako se s porastom visine gustoća i tlak zraka smanjuju eksponencijalno, zbog okomitih i vodoravnih strujanja kemijski je sastav zraka do visine od 80 do 90 kilometara (turbopauza) uglavnom stalan. Zrak sadrži i vodenu paru, kojoj je volumni udjel u rasponu od 0 do 4% (prosječno oko 1%), a ovisi o nadmorskoj visini, klimatskom području i meteorološkim prilikama. Iako im je volumni udjel malen, ugljikov dioksid i vodena para vrlo su važni sastojci zraka, jer apsorbiraju toplinsko zračenje Zemlje (dugovalno zračenje Zemlje) i djelomično ga vraćaju na Zemlju, pri čem se zagrijavaju tlo i oceani. Zrak sadrži i vrlo promjenljive količine krutih i tekućih čestica prirodnog ili ljudskog podrijetla.

Najreaktivniji je sastojak zraka kisik, koji se troši u prirodnim procesima (disanje ljudi, životinja i biljaka, oksidacija stijena), pri izgaranju fosilnih goriva i u mnogim tehnološkim procesima. Asimilacijom biljaka kisik se vraća u zrak i tako kruži prirodom. Kako u mnogim od tih procesa nastaju ugljikov dioksid i voda, koji se na primjer asimilacijom biljaka opet troše, kružni tok kisika i ugljika u prirodi usko su povezani. Dušik je kemijski vrlo trom (inertan) sastojak zraka, no kao glavni kemijski element jedan je od najvažnijih sudionika u biološkim procesima. Nitrificirajući mikroorganizmi koji žive na korijenju mahunarki (leguminoza) vežu dušik iz zraka i otpuštaju ga u tlo u obliku spojeva potrebnih za život drugih biljaka. Denitrificirajući mikroorganizmi, pak, smanjuju (reduciraju) nitratne ione u molekularni dušik, pa tako i dušik kruži prirodom.

Primjena

Zrak se najviše koristi u različitim industrijskim procesima, gdje kisik služi kao oksidans. Osim toga, zrak se primjenjuje kao sredstvo za grijanje ili hlađenje, u pneumatskim sustavima koji rade sa stlačenim zrakom i drugo. Ukapljeni zrak, plavkasta tekućina koja vrije na –194 °C, služi za dobivanje kisika i dušika frakcijskom destilacijom i za postizanje vrlo niskih temperatura.