UNIDADE 3TERMODINMICA DA ATMOSFERA

1. Constituio da atmosfera A atmosfera uma imensa mquina trmica e a energia que move essa mquina a energia solar. Porm, apenas 2% da energia que incide na atmosfera convertida em energia mecnica que da origem a circulao geral da atmosfera, aos ventos, nuvens, tempestades. Na atmosfera tem constituintes no variveis e constituintes variveis.

Constituintes no variveisContedo (% por volume)N278,084O220,948Ar0,934Ne1,8 X10-He5,4 X10-4CH42 X10-4Kr1,14 X10-4H20,5 X10-4Xe0,087 X10-4

Constituintes variveisContedo (% por volume)Vapor dgua0 4%CO20 0,333O30 0,001SO20 0,0001NO20 0,000002

1. Variveis de estado Existem variveis que atuam CONSTANTEMENTE sobre estes constituintes do ar atmosfrico. Essas variveis so chamadas de variveis de estado. As variveis de estado so:1) TEMPERATURA;2) MASSA ESPECFICA (DENSIDADE ABSOLUTA);3) PRESSO1.1 TEMPERATURA uma medida do grau de agitao das molculas. A energia cintica (energia de movimentao) do gs varia diretamente com a temperatura. De outra forma: quanto maior a temperatura, maior a agitao das molculas.As unidades de medida so: Celsius (C), Kelvin ou absoluta (K), Fahrenheit (F).

1. Variveis de estado 1.1 TEMPERATURAAs transformaes de unidades:TC = 5/9 * (TF 32)TK = TC + 273,15

O estudo da temperatura importante nos sistemas: solo e atmosferaSISTEMA SOLO TEMPERATURA DO SOLOSISTEMA ATMOSFERA TEMPERATURA DO AR

1.1.1. SISTEMA SOLO TEMPERATURA DO SOLOQuais as propriedades trmicas do solo?1) Calor especfico volumtrico (CV): a quantidade de energia necessria para que 1 cm de solo tenha uma elevao de 1C de temperatura.

1.1.1. Sistema solo temperatura do soloQuais as propriedades trmicas do solo?2) Condutividade trmica (K): Representa a capacidade do solo de transmitir energia.A condutividade trmica se refere ao nmero de calorias que flui na unidade de tempo em um volume de solo unitrio, quando existe um gradiente de temperatura de 1C cm-.

Unidade k: cal.s-.C-.cm-

Durante o dia: Quanto maior a K, maior a capacidade de transferir energia para as camadas inferiores do solo;Durante a noite o raciocnio o mesmo, porm a transferncia de energia se d das camadas inferiores do solo para as camadas superiores do solo.

Solo arenoso tem maior amplitude trmica diria nas camadas superficiais e menor profundidade de penetrao de energia, em funo da menor condutividade trmica;A condutividade trmica maior na presena de gua. Os solos arenosos tem menor poder de reter a gua, com isso menor a condutividade trmica;

3) Difusividade trmica (D): Representa a velocidade de avano da onda de energia do solo. A difusividade trmica uma relao entre:D = K/CVUnidade: cms-1.1.1. Sistema solo temperatura do solo

1.1.1 Sistema solo temperatura do solo

Como se mede a temperatura do solo?Atravs do geotermmetrosConstituio: termmetro com uma haste de vidro flexionado, ficando enterrado no solo. A outra parte do termmetro fica posicionado sobre um suporte. O elemento sensvel do geotermmetro o mercrio.Funcionamento: A leitura realizada s 9h, 15h e 21h. Os geotermmetros esto sempre em conjunto de acordo com o comprimento da haste que enterrada no solo

Existem geotermmetros com 6 profundidades: 2, 5, 10, 20, 30, 50 e 100 cm.

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 a conduo.CONDUO: o processo de transferncia de energia de molcula molcula, ou seja, quando h um meio de transporte slido para a transferncia.1.2. Sistema atmosfera temperatura do ar

Medida da temperatura do ar: Para medir a temperatura do ar utiliza-se os termmetros: de bulo seco, bulbo mido, de mxima, de mnima.Todos esses termmetros esto no interior do abrigo meteorolgico

A) Termmetro de bulbo seco e termmetro de bulbo mido:Constituio: tubo capilar de vidro, transparente e hermeticamente fechado, tendo uma extremidade um bulbo com forma cilndrica e na outra extremidade tem a cmara de expanso (pequena dilatao no interior do termmetro).O elemento sensvel o mercrio.O termmetro de bulbo mido tem uma diferena do bulbo seco, pois o bulbo est amarrado a um cordo que est em contato com gua destilada.1.1.2. Sistema atmosfera temperatura do ar

B) Termmetro de mxima:Tem como elemento sensvel o mercrio.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 mercrio retorne para o bulbo quando a temperatura diminui.1.1.2. Sistema atmosfera temperatura do ar

C) Termmetro de mnima:Tem como elemento sensvel o lcool.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 superfcie 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 direo ao bulbo, ou seja, em direo a menor temperatura.1.1.2. Sistema atmosfera temperatura do ar

Como se d o aquecimento do ar?.No aquecimento do ar esto envolvidos os processos de: irradiao, conduo e conveco. A irradiao atinge a superfcie do solo e h 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 trmico.Esse gradiente trmico responsvel pela transferncia de energia do solo para a atmosfera, e isso vai possibilitar o aquecimento do ar.Como a superfcie do ar est aquecida, a camada de ar adjacente a superfcie aquece por conduo. Esse processo de conduo s ocorre na camada adjacente entre o solo e o ar, devido o ar ser um pssimo 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.1.1.2. Sistema atmosfera temperatura do ar

Como se d 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 ser absorvida pelos constituintes da atmosfera, o que contribui para o aquecimento do ar.1.1.2. Sistema atmosfera temperatura do arComo obtida a temperatura mdia diria do ar?A) Atravs da mdia das 24 leituras dirias

B) Atravs do mtodo do INMET (padro)

1.1.2. Sistema atmosfera temperatura do arComo obtida a temperatura mdia diria do ar?C) Atravs da mdia das extremas

D) Atravs da mdia a partir das 3 leituras dirias

E) Atravs de uma estao automticaEm que: Tar = temperatura do ar em cada observao; No = nmero de observaes realizadas (depende da programao do sistema de aquisio de dados).

1.1.2. Sistema atmosfera temperatura do arComo obtida a temperatura mdia mensal do ar?A) Atravs da mdia aritmtica das mdias diriasB) Atravs de valores estimados pela frmula emprica:

Em que: a, b, c, d = coeficientes determinados para a regio como um todo (fornecido em tabelas); ALT =altitude, em metros; LAT = latitude, em metros; LONG = longitude, em metros.Nesta frmula se utiliza a latitude devido a sua relao com a irradincia solar global e a altitude, devido a variao da presso. necessrio introduzir a longitude para determinar o efeito da localizao do local, se prxima ao litoral ou se no interior do continente.

1.1.2. Sistema atmosfera temperatura do arLEMBRETE!!! Se a atmosfera estiver totalmente SECA o limite para a queda de temperatura causada pela altitude -9,8C/1000 metros, chamada de GRADIENTE ADIABTICO SECO Se a atmosfera estiver SATURADA o limite para a queda de temperatura causada pela altitude -4C/1000 metros, chamada de GRADIENTE ADIABTICO SATURADO.

Coeficiente b = significa dizer que para cada 1000 metros de variao de altitude, a temperatura mdia mensal sofrer um decrscimo de -3,4C (PR) e -7,5C (BA).Essa variao diferente nos 2 estados devido a presena de vapor dgua na atm.Em condies mais secas a queda de temperatura mais acentuada do que em condies mais midas.Nos estados de Gois, PR, RS e SP no tem o efeito da longitude, devido a pequena variao deste fator nos limites geogrficos destes estados. SC no tem latitude, por ser um estado muito estreito, com pequena variao na latitude.

1.2. Massa especfica (densidade absoluta)Representa a massa de uma substncia contida em uma unidade de volume.Por exemplo: a massa especfica do ar atmosfrico nas condies normais de temperatura (0C) e presso (1 atm) 1,3 Kg cm-

ou1.3. Presso a grandeza escalar que mede a fora exercida sobre uma unidade de rea de uma superfcie, isto :

Unidade: Nm-, Pa, atm, mbEm meteorologia a presso resulta da ao do ar atmosfrico. A presso atmosfrica (Patm) desempenha um importante papel no comportamento e no deslocamento das massas de ar.

1.3. Presso Na meteorologia a presso atmosfrica em um determinado ponto: a fora exercida em todas as direes devido ao peso total do ar existente sobre o ponto considerado.Sendo assim, a Patm depender das condies locais e instantneas como: altura, temperatura (pois a massa especfica depende da temperatura), etc... IMPORTANTE: Como a atmosfera um sistema no homogneo, sem uma altura definida e onde o campo gravitacional varivel, DIMINUINDO com o aumento da altura, torna-se impraticvel a determinao do peso de uma coluna de ar para o clculo da presso atmosfrica.Para contornar essas dificuldades: o clculo da Patm feito como sugeriu Toricelli no sc. XVII.

1.3. PressoExperincia de Toricelli: A presso exercida pela atmosfera igual a presso exercida sobre um ponto em uma coluna de mercrio a uma altura definida, em equilbrio com a atmosfera.A a rea da seo transversal do tubo; patm a presso que a atmosfera exerce sobre a superfcie do lquido; h a altura da coluna de mercrio no tubo de ensaio.

1.3. PressoExperincia de Toricelli: A presso exercida pela atmosfera igual a presso exercida sobre um ponto em uma coluna de mercrio a uma altura definida, em equilbrio com a atmosfera.Lei de Stevin: se o fluido est em equilbrio hidrosttico (condio em que a fora de presso e a fora da gravidade se compensam entre si, ou seja, a fora resultante nula) a presso nos pontos 1 e 2, que esto no mesmo nvel, a mesma

1.3. PressoDesta forma:Lei de StevinLembrando:P1=P2 g = acelerao da gravidade, h = altura da coluna, = massa especfica da coluna de mercrio (13,596 g.cm-).Como g e so praticamente constantes, comum expressar altura da coluna de mercrio em mmHg ou cmHgUnidades: atm, mb, Pa, mmHg

1.3. PressoDesta forma:Lei de StevinLembrando:P1=P2 Unidades: atm, mb, Pa, mmHgCONVERSO: 1 atm = 760 mmHg = 1013,3 mb = 1013,3 hPa = 101,33 KPa = 1013,33 X10 Pa

1.3. Presso Em meteorologia convenciona-se chamar: CENTROS DE ALTA PRESSO os valores superiores de presso. Nos centros de alta presso predomina o ar frio, que mais denso e tende a descer.CENTROS DE BAIXA PRESSO so os locais de valores inferiores de presso. A temperatura da massa de ar maior, o ar menos denso e tende a subir, originando movimentos ascendentes de ar. Como se mede a presso atmosfrica???A presso atmosfrica medida com o barmetro ou com o bargrafo. O barmetro instalado em estaes meteorolgicas, enquanto o bargrafo instalado em residncias, escritrios, laboratrios.

1.3. PressoA) BARMETRO DE MERCRIOSo constitudos de um tubo de vidro, com 90 cm de comprimento, com elemento sensvel o mercrio.O tubo de vidro apresenta uma extremidade aberta (parte inferior) e uma extremidade fechada (parte superior).A extremidade aberta est submersa em uma cuba (reservatrio) de mercrio. A presso da coluna de Hg contida no tubo de vidro igual a Patm existente sobre a superfcie de mercrio da cuba. O tubo de vidro e a cuba so protegidos por uma armao metlica, que apresenta 2 aberturas longitudinais ao longo do tubo de vidro e um termmetro embutido.No deve ficar exposto a rajadas de vento, nem a temperaturas bruscas, por isso, instalado em uma sala de abrigo especial prximo a estao.

1.3. PressoA) BARMETRO DE MERCRIOFUNCIONAMENTO:Quando o instrumento encontra-se em condies perfeitas h vcuo na parte superior do tubo e o mercrio ocupa a parte inferior.Junto a armao metlica, encontra-se o visor e gravada na armao metlica, junto ao visor est a escala graduada em mb e em mm, sendo que as fraes so medidas atravs do nnio.A posio do nnio ajustada atravs da cremalheira. A leitura dos barmetros inicia com a leitura da temperatura. Em seguida feito o ajuste do zero na escala, depois aciona-se o nnio de modo que a base tangencie o menisco e efetua-se a leitura.

1.3. PressoB) BARGRAFO ANERIDEBaseiam-se na deformao que variaes de presso atmosfrica provocam em cpsulas metlicas de paredes onduladas e flexveis, que no interior se faz vcuo.As cpsulas anerides constituem o elemento sensvel do BARGRAFO.

1.3. PressoB) BARGRAFO ANERIDEFUNCIONAMENTO: ao se deformarem por variao de presso, as cpsulas anerides movimentam-se e um sistema de alavancas aciona um ponteiro. Este ponteiro se movimenta e registra a presso em um grfico que colocado em um tambor relgio.O sistema de alavancas inclui um compensador bimetlico que neutraliza os efeitos da dilatao do sistema.

2. Lei de Boyle Diz: em uma transformao ISOTRMICA (temperatura constante) a presso e o volume de um gs so INVERSAMENTE proporcionais, isto :P1.V1 = P2.V2 = .....= constante ou Em que: P=presso; V = volume; = volume especfico de um gs (volume por unidade de massa)Na transformao ISOTRMICA: Quanto maior a presso, menor o volume!!!3. Lei de Charles- Gay Lussac Determinou as relaes entre temperatura e volume (a uma presso constante) e entre temperatura e presso (a um volume constante). As concluses foram:3.1. Em uma transformao ISOBRICA (presso constante), o volume e a temperatura absoluta de um gs so diretamente proporcionais, isto :

3. Lei de Charles- Gay Lussac3.1. Em uma transformao ISOBRICA (presso constante), o volume e a temperatura absoluta de um gs so diretamente proporcionais, isto :

Para manter a presso constante, quanto maior o volume do gs maior a temperatura.3.2. Em uma transformao ISOCRICA (volume constante), a presso e a temperatura absoluta de um gs so diretamente proporcionais, isto :

Para manter o volume constante, quanto maior for a presso exercida em um gs maior a temperatura.

3. Lei de Charles- Gay LussacDessa forma:Volume e presso so inversamente proporcionais;Volume e temperatura so diretamente proporcionais;Presso e temperatura so diretamente proporcionais.4. Equao de estado dos gases perfeitos (ideais)Um gs dito perfeito ou ideal quando segue risca as leis de Boyle e de Charles - Gay Lussac. As molculas de um gs perfeito no interagem com outras molculas, exceto quando colidem e essas colises so consideradas elsticas e de durao desprezvel.NOTAO comportamento dos gases reais se aproxima dos gases ideais quanto maior for a temperatura e quanto menor for a sua pressoA equao de estado para os gases ideais relaciona PRESSO, TEMPERATURA e VOLUME!!!

4. Equao de estado dos gases perfeitos (ideais)Imagine duas transformaes, sendo a primeira ISOBRICA e a segunda ISOTRMICA1 Transformao (Lei de Charles-Gay Lussac)2 Transformao (Lei de Boyle)Isolando *na 1 equao e aplicando na 2Como 1 e 2 so genricos:R = Constante do gs e depende: natureza do gs (uma vez que nas mesmas condies de temperatura e presso, gases diferentes, tero volumes diferentes, variando de acordo com a massa molecular.

4. Equao de estado dos gases perfeitos (ideais)A equao de um gs ideal:COMO: Esta frmula significa: amostras de gases diferentes, contendo o mesmo nmero de molculas, nas mesmas condies de temperatura e presso, ocuparo o mesmo volumeR*=Constante universal dos gases perfeitos = 8,314 J.mol-.K- n=nmero de moles de um gs em questoT = temperatura absolutaV = volume de um gsP = presso

4.1. Equao de estado para vapor dguaCada constituinte da atmosfera exerce uma presso sobre uma massa de ar atmosfrico, de modo que a presso total (presso atmosfrica) a soma das presses de cada constituinte.

O volume de uma massa de ar diretamente proporcional a temperatura e indiretamente proporcional a presso, portanto: o volume de uma massa de ar se contrai e se expande com a variao da temperatura.Essa variao no volume impe um limite a quantidade de vapor dgua que pode ser retida pelo volume e o mximo contedo de vapor dgua que o volume pode conter chamado de presso de saturao (es):

es = presso de saturao de vapor dgua; t = temperatura do termmetro de bulbo seco (C); tw = temperatura do termmetro de bulbo mido (C).(mmHg)

4.1. Equao de estado para vapor dguaCada constituinte da atmosfera exerce uma presso sobre uma massa de ar atmosfrico, de modo que a presso total (presso atmosfrica) a soma das presses de cada constituinte.

O volume de uma massa de ar diretamente proporcional a temperatura e indiretamente proporcional a presso, portanto: o volume de uma massa de ar se contrai e se expande com a variao da temperatura. Essa variao no volume impe um limite a quantidade de vapor dgua que pode ser retida pelo volume e o mximo contedo de vapor dgua que o volume pode conter chamado de presso de saturao (es):A) Presso de saturao (es):

es = presso de saturao de vapor dgua; t = temperatura do termmetro de bulbo seco (C); tw = temperatura do termmetro de bulbo mido (C).(mmHg)

4.1. Equao de estado para vapor dguaB) Presso parcial de vapor dgua (ea): representa a presso de vapor dgua presente na atmosfera no momento considerado.

ea = presso parcial de vapor dgua; es(tw) = presso parcial de saturao para termmetro de bulbo mido; t = temperatura do termmetro de bulbo seco (C); tw = temperatura do termmetro de bulbo mido (C); = constante psicromtrica (depende do tipo de psicrmetro) = 0,6 mmHg c- para psicrmetro comum e; = 0,5 mmHg c- para psicrmetro ventilado e;

C) Dficit de saturao (d): Representa a quantidade de vapor dgua qu falta para a massa de ar ficar saturada. d = es ea(mmHg) a diferena entre a presso de saturao e a presso parcial de vapor.(mmHg)

5. Quantificao da umidade5.1. UMIDADE ABSOLUTA (UA): o teor de umidade do ar no momento, em termos de massa de vapor dgua por volume de ar mido, ou seja, a massa de vapor dgua contida na unidade de volume de ar.(Unidade: g vapor dgua m- de ar mido)ea = presso parcial de vapor dgua (mmHg); t = temperatura do termmetro de bulbo seco (C).5.2. UMIDADE DE SATURAO (US): a massa de vapor dgua em condies saturadas por unidade de volume.(Unidade: g vapor dgua m- de ar mido)es= presso de saturao de vapor dgua (mmHg); t = temperatura do termmetro de bulbo seco (C).

5. Quantificao da umidade5.3. UMIDADE RELATIVA (UR): Representa a relao do teor de vapor dgua que a massa contm e o mximo de vapor dgua que a massa de ar poderia conter.(Unidade %)ea = presso parcial de vapor dgua; es = presso de saturao de vapor dguaExerccio:Com os dados de temperatura do ar = 22C e UR=86%, calcule:a) Dficit de saturao b) Umidade absoluta

6. Temperatura do ponto de orvalho (Td)Antes precisamos entender o que o orvalho?ORVALHO a gua condensada em uma superfcie. Ocorre quando a temperatura atinge o ponto de orvalho.Como forma o orvalho?O orvalho (condensao do vapor dgua em uma superfcie) se forma devido a perda de energia da superfcie aliado a transferncia do vapor dgua do ar para essa superfcie.Quais as condies meteorolgicas para a formao do orvalho?So as que favorecem a intensa emisso energtica: atmosfera limpa, sem nuvens e alta umidade relativa prxima a superfcie (para permitir a condensao).J a temperatura do ponto de orvalho a temperatura em que a presso parcial de vapor (ea) igual a presso de saturao (es) e o dficit de saturao zero.

6. Temperatura do ponto de orvalho (Td) Outro conceito: a temperatura em que o ar deve ser resfriado, a uma presso constante, para atingir a saturao.Td calculado atravs da frmula:

(Unidade C)

CUIDADO!!! ea deve ser em hPa ou mb. Para isso deve converter ea lembrando que 1mmHg = 1,333 hPa ou 1,333 mb.

7. Higrometria a medida da umidade. Utiliza-se basicamente 2 aparelhosA) Psicrmetro (comum e ventilado):Conjunto de termmetros de bulbo seco e bulbo mido. Com o psicrmetro se mede a temperatura do ar a sombra (t) e a temperatura do ar resfriado (tw) por um cadaro de algodo umedecido com gua destilada.Com esses termmetros se obtm ea e es e as umidades.A diferena entre os dois que no ventilado tem a ventoinha que faz passar o ar uniformemente entre os termmetros.

7. HigrometriaA) Higrgrafo de cabelo.Objetivo 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 diminuio da umidade.A contrao e a dilatao do cabelo transferida e amplificada por um sistema de alavanca que na ponta tem uma pena, que registra essa contrao/dilatao em um grfico. Este grfico fica preso em um tambor relgio.

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