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UNIDADE 3

UNIDADE 3. TERMODINÂMICA DA ATMOSFERA. 1. Constituição da atmosfera.

harry
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  1. UNIDADE 3 TERMODINÂMICA DA ATMOSFERA

  2. 1. Constituição da atmosfera • A atmosfera é uma imensa máquina térmica e a energia que move essa máquina é a energia solar. Porém, apenas 2% da energia que incide na atmosfera é convertida em energia mecânica que da origem a circulação geral da atmosfera, aos ventos, nuvens, tempestades. • Na atmosfera tem constituintes não variáveis e constituintes variáveis.

  3. 1. Variáveis de estado • Existem variáveis que atuam CONSTANTEMENTE sobre estes constituintes do ar atmosférico. Essas variáveis são chamadas de variáveis de estado. • As variáveis de estado são: 1) TEMPERATURA; 2) MASSA ESPECÍFICA (DENSIDADE ABSOLUTA); 3) PRESSÃO • 1.1 TEMPERATURA • É uma medidado grau de agitação das moléculas. A energia cinética (energia de movimentação) do gás varia diretamente com a temperatura. De outra forma: quanto maior a temperatura, maior a agitação das moléculas. • As unidades de medida são: Celsius (ºC), Kelvin ou absoluta (ºK), Fahrenheit (ºF).

  4. 1. Variáveis de estado • 1.1 TEMPERATURA As transformações de unidades: TºC = 5/9 * (TF – 32) TºK = TC + 273,15 • O estudo da temperatura é importante nos sistemas: solo e atmosfera • SISTEMA SOLO → TEMPERATURA DO SOLO • SISTEMA ATMOSFERA → TEMPERATURA DO AR 1.1.1. SISTEMA SOLO → TEMPERATURA DO SOLO Quais as propriedades térmicas do solo? 1) Calor específico volumétrico (CV): É a quantidade de energia necessária para que 1 cm³ de solo tenha uma elevação de 1ºC de temperatura.

  5. 1.1.1. Sistema solo → temperatura do solo • Quais as propriedades térmicas do solo? 2) Condutividade térmica (K): Representa a capacidade do solo de transmitir energia. A condutividade térmica se refere ao número de calorias que flui na unidade de tempo em um volume de solo unitário, quando existe um gradiente de temperatura de 1ºC cm-¹. Unidade k: cal.s-¹.ºC-¹.cm-¹ • Durante o dia: Quanto maior a K, maior a capacidade de transferir energia para as camadas inferiores do solo; • Durante a noite o raciocínio é o mesmo, porém a transferência de energia se dá das camadas inferiores do solo para as camadas superiores do solo.

  6. 1.1.1. Sistema solo → temperatura do solo • Solo arenoso tem maior amplitude térmica diária nas camadas superficiais e menor profundidade de penetração de energia, em função da menor condutividade térmica; • A condutividade térmica é maior na presença de água. Os solos arenosos tem menor poder de reter a água, com isso menor a condutividade térmica; 3) Difusividade térmica (D): Representa a velocidade de avanço da onda de energia do solo. A difusividade térmica é uma relação entre: D = K/CV Unidade: cm²s-¹

  7. 1.1.1 Sistema solo → temperatura do solo • Como se mede a temperatura do solo? • Através do geotermômetros Constituição: termômetro com uma haste de vidro flexionado, ficando enterrado no solo. A outra parte do termômetro fica posicionado sobre um suporte. O elemento sensível do geotermômetro é o mercúrio. • Funcionamento: A leitura é realizada às 9h, 15h e 21h. Os geotermômetros estão sempre em conjunto de acordo com o comprimento da haste que é enterrada no solo • Existem geotermômetros com 6 profundidades: 2, 5, 10, 20, 30, 50 e 100 cm.

  8. 1.1.1 Sistema solo → temperatura do solo • Processo de aquecimento do solo: • O solo aquece durante o dia e se resfria durante a noite. O processo que comanda esse aquecimento é a condução. CONDUÇÃO: É o processo de transferência de energia de molécula à molécula, ou seja, quando há um meio de transporte sólido para a transferência. 1.2. Sistema atmosfera → temperatura do ar • Medida da temperatura do ar: • Para medir a temperatura do ar utiliza-se os termômetros: de bulo seco, bulbo úmido, de máxima, de mínima. • Todos esses termômetros estão no interior do abrigo meteorológico

  9. 1.1.2. Sistema atmosfera → temperatura do ar A) Termômetro de bulbo seco e termômetro de bulbo úmido: • Constituição: tubo capilar de vidro, transparente e hermeticamente fechado, tendo uma extremidade um bulbo com forma cilíndrica e na outra extremidade tem a câmara de expansão (pequena dilatação no interior do termômetro). • O elemento sensível é o mercúrio. • O termômetro de bulbo úmido tem uma diferença do bulbo seco, pois o bulbo está amarrado a um cordão que está em contato com água destilada.

  10. 1.1.2. Sistema atmosfera → temperatura do ar B) Termômetro de máxima: • Tem como elemento sensível o mercúrio. • Se destina a indicar a mais elevada temperatura que se verifica em um local durante um intervalo de tempo. Exatamente por isso, possuem um estrangulamento no tubo capilar para impedir que o mercúrio retorne para o bulbo quando a temperatura diminui.

  11. 1.1.2. Sistema atmosfera → temperatura do ar C) Termômetro de mínima: • Tem como elemento sensível o álcool. • Se destina a indicar a menor temperatura que se verifica em um local durante um intervalo de tempo • Tem o bulbo em forma de U para aumentar a superfície de contato com a atmosfera. Dentro da coluna tem um material leve em forma de halter, que se movimenta somente quando a coluna retrocede em direção ao bulbo, ou seja, em direção a menor temperatura.

  12. 1.1.2. Sistema atmosfera → temperatura do ar • Como se dá o aquecimento do ar?. • No aquecimento do ar estão envolvidos os processos de: irradiação, condução e convecção. • A irradiação atinge a superfície do solo e há o aquecimento do solo e o aumento da temperatura do solo. Como a temperatura do solo fica maior que a do ar, acaba gerando um gradiente térmico. • Esse gradiente térmico é responsável pela transferência de energia do solo para a atmosfera, e isso vai possibilitar o aquecimento do ar. • Como a superfície do ar está aquecida, a camada de ar adjacente a superfície aquece por condução. Esse processo de condução só ocorre na camada adjacente entre o solo e o ar, devido o ar ser um péssimo condutor de energia. • A camada de ar aquecida se expande e sobe de forma turbulenta, enquanto outra camada de ar mais frio desce, se aquece sobe. Isso ocorre convectivamente.

  13. 1.1.2. Sistema atmosfera → temperatura do ar • Como se dá o aquecimento do ar? • Ao mesmo tempo que o solo absorve energia radiante, ele emite energia, na forma de onda longa e em quantidade dependente da sua temperatura. • Essa energia emitida será absorvida pelos constituintes da atmosfera, o que contribui para o aquecimento do ar. • Como é obtida a temperatura média diária do ar? A) Através da média das 24 leituras diárias B) Através do método do INMET (padrão)

  14. 1.1.2. Sistema atmosfera → temperatura do ar • Como é obtida a temperatura média diária do ar? C) Através da média das extremas D) Através da média a partir das 3 leituras diárias E) Através de uma estação automática Em que: Tar = temperatura do ar em cada observação; No = número de observações realizadas (depende da programação do sistema de aquisição de dados).

  15. 1.1.2. Sistema atmosfera → temperatura do ar • Como é obtida a temperatura média mensal do ar? A) Através da média aritmética das médias diárias B) Através de valores estimados pela fórmula empírica: Em que: a, b, c, d = coeficientes determinados para a região como um todo (fornecido em tabelas); ALT =altitude, em metros; LAT = latitude, em metros; LONG = longitude, em metros. Nesta fórmula se utiliza a latitude devido a sua relação com a irradiância solar global e a altitude, devido a variação da pressão. É necessário introduzir a longitude para determinar o efeito da localização do local, se é próxima ao litoral ou se é no interior do continente.

  16. 1.1.2. Sistema atmosfera → temperatura do ar • LEMBRETE!!!  Se a atmosfera estiver totalmente SECA o limite para a queda de temperatura causada pela altitude é -9,8ºC/1000 metros, chamada de GRADIENTE ADIABÁTICO SECO  Se a atmosfera estiver SATURADA o limite para a queda de temperatura causada pela altitude é -4ºC/1000 metros, chamada de GRADIENTE ADIABÁTICO SATURADO.

  17. Coeficiente b = significa dizer que para cada 1000 metros de variação de altitude, a temperatura média mensal sofrerá um decréscimo de -3,4ºC (PR) e -7,5ºC (BA). Essa variação é diferente nos 2 estados devido a presença de vapor d’água na atm. Em condições mais secas a queda de temperatura é mais acentuada do que em condições mais úmidas. Nos estados de Goiás, PR, RS e SP não tem o efeito da longitude, devido a pequena variação deste fator nos limites geográficos destes estados. SC não tem latitude, por ser um estado muito estreito, com pequena variação na latitude.

  18. 1.2. Massa específica (densidade absoluta) • Representa a massa de uma substância contida em uma unidade de volume. • Por exemplo: a massa específica do ar atmosférico nas condições normais de temperatura (0ºC) e pressão (1 atm) ≅ 1,3 Kg cm-³ ou 1.3. Pressão • É a grandeza escalar que mede a força exercida sobre uma unidade de área de uma superfície, isto é: Unidade: Nm-², Pa, atm, mb • Em meteorologia a pressão resulta da ação do ar atmosférico. A pressão atmosférica (Patm) desempenha um importante papel no comportamento e no deslocamento das massas de ar.

  19. 1.3. Pressão • Na meteorologia a pressão atmosférica em um determinado ponto: é a força exercida em todas as direções devido ao peso total do ar existente sobre o ponto considerado. • Sendo assim, a Patm dependerá das condições locais e instantâneas como: altura, temperatura (pois a massa específica depende da temperatura), etc... • IMPORTANTE: Como a atmosfera é um sistema não homogêneo, sem uma altura definida e onde o campo gravitacional é variável, DIMINUINDO com o aumento da altura, torna-se impraticável a determinação do peso de uma coluna de ar para o cálculo da pressão atmosférica. • Para contornar essas dificuldades: o cálculo da Patm é feito como sugeriu Toricelli no séc. XVII.

  20. 1.3. Pressão • Experiência de Toricelli: A pressão exercida pela atmosfera é igual a pressão exercida sobre um ponto em uma coluna de mercúrio a uma altura definida, em equilíbrio com a atmosfera. A é a área da seção transversal do tubo; patm é a pressão que a atmosfera exerce sobre a superfície do líquido; h é a altura da coluna de mercúrio no tubo de ensaio.

  21. 1.3. Pressão • Experiência de Toricelli: A pressão exercida pela atmosfera é igual a pressão exercida sobre um ponto em uma coluna de mercúrio a uma altura definida, em equilíbrio com a atmosfera. Lei de Stevin: se o fluido está em equilíbrio hidrostático (condição em que a força de pressão e a força da gravidade se compensam entre si, ou seja, a força resultante é nula) a pressão nos pontos 1 e 2, que estão no mesmo nível, é a mesma

  22. 1.3. Pressão • Desta forma: → → → → Lembrando: → Lei de Stevin Unidades: atm, mb, Pa, mmHg P1=P2 → g = aceleração da gravidade, h = altura da coluna, = massa específica da coluna de mercúrio (13,596 g.cm-³). Como g e são praticamente constantes, é comum expressar altura da coluna de mercúrio em mmHg ou cmHg

  23. 1.3. Pressão • Desta forma: → → → → Lembrando: → Lei de Stevin Unidades: atm, mb, Pa, mmHg P1=P2 → CONVERSÃO: 1 atm = 760 mmHg = 1013,3 mb = 1013,3 hPa = 101,33 KPa = 1013,33 X10² Pa

  24. 1.3. Pressão • Em meteorologia convenciona-se chamar: CENTROS DE ALTA PRESSÃO os valores superiores de pressão. Nos centros de alta pressão predomina o ar frio, que é mais denso e tende a descer. • CENTROS DE BAIXA PRESSÃO são os locais de valores inferiores de pressão. A temperatura da massa de ar é maior, o ar é menos denso e tende a subir, originando movimentos ascendentes de ar. • Como se mede a pressão atmosférica??? • A pressão atmosférica é medida com o barômetro ou com o barógrafo. O barômetro é instalado em estações meteorológicas, enquanto o barógrafo é instalado em residências, escritórios, laboratórios.

  25. 1.3. Pressão A) BARÔMETRO DE MERCÚRIO • São constituídos de um tubo de vidro, com ≅ 90 cm de comprimento, com elemento sensível o mercúrio. • O tubo de vidro apresenta uma extremidade aberta (parte inferior) e uma extremidade fechada (parte superior). • A extremidade aberta está submersa em uma cuba (reservatório) de mercúrio. A pressão da coluna de Hg contida no tubo de vidro é igual a Patm existente sobre a superfície de mercúrio da cuba. • O tubo de vidro e a cuba são protegidos por uma armação metálica, que apresenta 2 aberturas longitudinais ao longo do tubo de vidro e um termômetro embutido. • Não deve ficar exposto a rajadas de vento, nem a temperaturas bruscas, por isso, é instalado em uma sala de abrigo especial próximo a estação.

  26. 1.3. Pressão A) BARÔMETRO DE MERCÚRIO • FUNCIONAMENTO: • Quando o instrumento encontra-se em condições perfeitas há vácuo na parte superior do tubo e o mercúrio ocupa a parte inferior. • Junto a armação metálica, encontra-se o visor e gravada na armação metálica, junto ao visor está a escala graduada em mb e em mm, sendo que as frações são medidas através do nônio. • A posição do nônio é ajustada através da cremalheira. • A leitura dos barômetros inicia com a leitura da temperatura. Em seguida é feito o ajuste do zero na escala, depois aciona-se o nônio de modo que a base tangencie o menisco e efetua-se a leitura.

  27. 1.3. Pressão B) BARÓGRAFO ANERÓIDE • Baseiam-se na deformação que variações de pressão atmosférica provocam em cápsulas metálicas de paredes onduladas e flexíveis, que no interior se faz vácuo. • As cápsulas aneróides constituem o elemento sensível do BARÓGRAFO.

  28. 1.3. Pressão B) BARÓGRAFO ANERÓIDE • FUNCIONAMENTO: ao se deformarem por variação de pressão, as cápsulas aneróides movimentam-se e um sistema de alavancas aciona um ponteiro. Este ponteiro se movimenta e registra a pressão em um gráfico que é colocado em um tambor relógio. O sistema de alavancas inclui um compensador bimetálico que neutraliza os efeitos da dilatação do sistema.

  29. 2. Lei de Boyle • Diz: “ em uma transformação ISOTÉRMICA (temperatura constante) a pressão e o volume de um gás são INVERSAMENTE proporcionais, isto é: P1.V1 = P2.V2 = .....= constante ou Em que: P=pressão; V = volume; = volume específico de um gás (volume por unidade de massa) • Na transformação ISOTÉRMICA: Quanto maior a pressão, menor o volume!!! 3. Lei de Charles- Gay Lussac • Determinou as relações entre temperatura e volume (a uma pressão constante) e entre temperatura e pressão (a um volume constante). As conclusões foram: 3.1. “ Em uma transformação ISOBÁRICA (pressão constante), o volume e a temperatura absoluta de um gás são diretamente proporcionais, isto é:

  30. 3. Lei de Charles- Gay Lussac 3.1. “ Em uma transformação ISOBÁRICA (pressão constante), o volume e a temperatura absoluta de um gás são diretamente proporcionais, isto é: • Para manter a pressão constante, quanto maior o volume do gás maior a temperatura. 3.2. “ Em uma transformação ISOCÓRICA (volume constante), a pressão e a temperatura absoluta de um gás são diretamente proporcionais, isto é: • Para manter o volume constante, quanto maior for a pressão exercida em um gás maior a temperatura.

  31. 3. Lei de Charles- Gay Lussac • Dessa forma: • Volume e pressão são inversamente proporcionais; • Volume e temperatura são diretamente proporcionais; • Pressão e temperatura são diretamente proporcionais. 4. Equação de estado dos gases perfeitos (ideais) • Um gás é dito perfeito ou ideal quando segue à risca as leis de Boyle e de Charles - Gay Lussac. As moléculas de um gás perfeito não interagem com outras moléculas, exceto quando colidem e essas colisões são consideradas elásticas e de duração desprezível. NOTA • “O comportamento dos gases reais se aproxima dos gases ideais quanto maior for a temperatura e quanto menor for a sua pressão” • A equação de estado para os gases ideais relaciona PRESSÃO, TEMPERATURA e VOLUME!!!

  32. 4. Equação de estado dos gases perfeitos (ideais) • Imagine duas transformações, sendo a primeira ISOBÁRICA e a segunda ISOTÉRMICA 1ª Transformação (Lei de Charles-Gay Lussac) 2ª Transformação (Lei de Boyle) Isolando α*na 1ª equação e aplicando na 2ª Como 1 e 2 são genéricos: R = Constante do gás e depende: natureza do gás (uma vez que nas mesmas condições de temperatura e pressão, gases diferentes, terão volumes diferentes, variando de acordo com a massa molecular.

  33. 4. Equação de estado dos gases perfeitos (ideais) • A equação de um gás ideal: COMO: R*=Constante universal dos gases perfeitos = 8,314 J.mol-¹.K-¹ n=número de moles de um gás em questão T = temperatura absoluta V = volume de um gás P = pressão Esta fórmula significa: “amostras de gases diferentes, contendo o mesmo número de moléculas, nas mesmas condições de temperatura e pressão, ocuparão o mesmo volume”

  34. 4.1. Equação de estado para vapor d’água • Cada constituinte da atmosfera exerce uma pressão sobre uma massa de ar atmosférico, de modo que a pressão total (pressão atmosférica) é a soma das pressões de cada constituinte. O volume de uma massa de ar é diretamente proporcional a temperatura e indiretamente proporcional a pressão, portanto: o volume de uma massa de ar se contrai e se expande com a variação da temperatura. • Essa variação no volume impõe um limite a quantidade de vapor d’água que pode ser retida pelo volume e o máximo conteúdo de vapor d’água que o volume pode conter é chamado de pressão de saturação (es): es = pressão de saturação de vapor d’água; t = temperatura do termômetro de bulbo seco (ºC); tw = temperatura do termômetro de bulbo úmido (ºC). (mmHg)

  35. 4.1. Equação de estado para vapor d’água • Cada constituinte da atmosfera exerce uma pressão sobre uma massa de ar atmosférico, de modo que a pressão total (pressão atmosférica) é a soma das pressões de cada constituinte. O volume de uma massa de ar é diretamente proporcional a temperatura e indiretamente proporcional a pressão, portanto: o volume de uma massa de ar se contrai e se expande com a variação da temperatura. Essa variação no volume impõe um limite a quantidade de vapor d’água que pode ser retida pelo volume e o máximo conteúdo de vapor d’água que o volume pode conter é chamado de pressão de saturação (es): A) Pressão de saturação (es): es = pressão de saturação de vapor d’água; t = temperatura do termômetro de bulbo seco (ºC); tw = temperatura do termômetro de bulbo úmido (ºC). (mmHg)

  36. 4.1. Equação de estado para vapor d’água B) Pressão parcial de vapor d’água (ea): representa a pressão de vapor d’água presente na atmosfera no momento considerado. (mmHg) ea = pressão parcial de vapor d’água; es(tw) = pressão parcial de saturação para termômetro de bulbo úmido; t = temperatura do termômetro de bulbo seco (ºC); tw = temperatura do termômetro de bulbo úmido (ºC); γ = constante psicrométrica (depende do tipo de psicrômetro) γ = 0,6 mmHg ºc-¹ para psicrômetro comum e; γ = 0,5 mmHg ºc-¹ para psicrômetro ventilado e; C) Déficit de saturação (d): Representa a quantidade de vapor d’água qu falta para a massa de ar ficar saturada. d = es – ea (mmHg) É a diferença entre a pressão de saturação e a pressão parcial de vapor.

  37. 5. Quantificação da umidade 5.1. UMIDADE ABSOLUTA (UA): • É o teor de umidade do ar no momento, em termos de massa de vapor d’água por volume de ar úmido, ou seja, é a massa de vapor d’água contida na unidade de volume de ar. (Unidade: g vapor d’água m-³ de ar úmido) ea = pressão parcial de vapor d’água (mmHg); t = temperatura do termômetro de bulbo seco (ºC). 5.2. UMIDADE DE SATURAÇÃO (US): • É a massa de vapor d’água em condições saturadas por unidade de volume. (Unidade: g vapor d’água m-³ de ar úmido) es= pressão de saturação de vapor d’água (mmHg); t = temperatura do termômetro de bulbo seco (ºC).

  38. 5. Quantificação da umidade 5.3. UMIDADE RELATIVA (UR): • Representa a relação do teor de vapor d’água que a massa contém e o máximo de vapor d’água que a massa de ar poderia conter. (Unidade %) ea = pressão parcial de vapor d’água; es = pressão de saturação de vapor d’água Exercício: Com os dados de temperatura do ar = 22ºC e UR=86%, calcule: a) Déficit de saturação b) Umidade absoluta

  39. 6. Temperatura do ponto de orvalho (Td) Antes precisamos entender o que é o orvalho? • ORVALHO é a água condensada em uma superfície. Ocorre quando a temperatura atinge o ponto de orvalho. Como forma o orvalho? • O orvalho (condensação do vapor d’água em uma superfície) se forma devido a perda de energia da superfície aliado a transferência do vapor d’água do ar para essa superfície. Quais as condições meteorológicas para a formação do orvalho? • São as que favorecem a intensa emissão energética: atmosfera limpa, sem nuvens e alta umidade relativa próxima a superfície (para permitir a condensação). • Já a temperatura do ponto de orvalho é a temperatura em que a pressão parcial de vapor (ea) é igual a pressão de saturação (es) e o déficit de saturação é zero.

  40. 6. Temperatura do ponto de orvalho (Td) • Outro conceito: é a temperatura em que o ar deve ser resfriado, a uma pressão constante, para atingir a saturação. • Td é calculado através da fórmula: (Unidade ºC) • CUIDADO!!! ea deve ser em hPa ou mb. Para isso deve converter ea lembrando que 1mmHg = 1,333 hPa ou 1,333 mb.

  41. 7. Higrometria • É a medida da umidade. Utiliza-se basicamente 2 aparelhos A) Psicrômetro (comum e ventilado): Conjunto de termômetros de bulbo seco e bulbo úmido. Com o psicrômetro se mede a temperatura do ar a sombra (t) e a temperatura do ar resfriado (tw) por um cadarço de algodão umedecido com água destilada. Com esses termômetros se obtém ea e es e as umidades. A diferença entre os dois é que no ventilado tem a ventoinha que faz passar o ar uniformemente entre os termômetros.

  42. 7. Higrometria A) Higrógrafo de cabelo. Objetivo é determinar diretamente a umidade relativa do ar. Este aparelho se baseia na propriedade dos cabelos humanos de dilatar com o aumento da umidade e contrair com a diminuição da umidade. A contração e a dilatação do cabelo é transferida e amplificada por um sistema de alavanca que na ponta tem uma pena, que registra essa contração/dilatação em um gráfico. Este gráfico fica preso em um tambor relógio.

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