Energia

Aula anterior:
•Composição da atmosfera: do que é composta; fontes e sumidouros;
como alcançou o estado atual.
•Breve discussão sobre pressão, densidade, temperatura.
Esta Aula:
• Temperatura, pressão e densidade em maior detalhe. Discutir como
são medidas.
• Discutir a relação entre estas quantidades.
•Estrutura vertical nas camadas atmosféricas;
•Calor sensível; calor latente;
•Transferência de calor;
•Vamos focalizar mais na pressão quando discutimos os sistemas de
vento.
Próxima aula:
• Radiação
(lembre-se … o entendimento das noções básicas é essencial para o
entendimento da atmosfera).
Pressão
• As moléculas que colidem com um objeto
criam uma força sobre o objeto
• Pressão é a força aplicada por unidade de
área
P = Força/Área;
força = massa x gravidade
Qual caixa está exercendo maior pressão sobre o
chão?
1 kg
1 kg
Densidade
• Mesmo número de
moléculas e massa
• Amostra 1 ocupa mais
espaço
• Amostra 2 ocupa menos
espaço
• Amostra 2 é mais densa
do que a amostra 1
Amostra 1
Amostra 2
menos densa mais densa
Pressão e Densidade
• Gravidade mantém
a maior parte do ar
perto da superfície
• O peso da coluna de
ar é a pressão em
um determinado
ponto
Como medimos a pressão?
Valor ao Nível do Mar
(média)
1
760
1013,25
Unidades de Pressão:
atmosfera (atm)
mm de mercúrio (mmHg)
millibares (mb)
1 mb = 1 hPa = 100 Pa
-2
-2
-2
1 Pa = 1 N m = 1kg m s m
Por que a pressão diminui com a altitude?
Lembre-se:
Pressão = massa*gravidade/unidade de área
Conforme você sobe, tem menos massa sobre
você.
Balanço Hidrostático
O ar é sempre atraído para baixo
pela força da gravidade.
Existe um balanço entre a gravidade
e o gradiente de pressão.
ρg
∆P/ ∆z = - ρg
∆P/ ∆z
“O que é o gradiente de pressão ?”
Empurra o ar da pressão alta para a
baixa.
Estrutura Vertical
O globo é enorme, mas a atmosfera é bastante
rasa. Considere …
• Em geral, 15% da massa da atmosfera está
sob nossos pés.
• No topo do Evereste (10 km), você está
acima de 50% da massa da atmosfera.
• Você está mais próximo do espaço livre do
que de Campinas!
O que é Temperatura do Ar?
• Temperatura é uma medidade de energia cinética
(movimento) das moléculas do ar
– K.E. = ½ mv2
m = massa, v = velocidade
– Assim…temperatura é uma medida da velocidade das
moléculas do ar
• A sensação de calor é criada pelo fato das
moléculas do ar golpearem e saltarem da
superfície da nossa pele
– Quanto mais quente, as moléculas se movem mais
rapidamente de maneira desordenada, havendo um
maior número de colisões com sua pele por unidade de
tempo
Como medimos a Temperature?
• Termômetro convencional
- Líquido dentro de um recipiente de vidro (Hg).
• Termômetros electrônicos
- mede a resistência num metal como o níquel.
• Sensoriamento remoto usando a radiação emitida pelo
ar e pela superfície (de satélites).
• Unidades de temperatura: Celsius, Kelvin
Qual é a temperatura mais baixa possível? Por que?
A atmosfera está
disposta em camadas de
acordo com sua estrutura
de temperatura
Em algumas camadas, a
temperatura aumenta
com a altura
Em outras, ela decresce
com a altura ou é
constante
Por que?
… “pausa” é um nível
… “esfera” é uma camada
Densidade do ar ρ = massa/volume
Densidade pode ser determinada por sua relação
com a pressão e a temperatura:
Equação de estado (Lei dos Gases Ideais):
P = ρ R T (Pressão igual ao produto da densidade,
constante universal dos gases e
temperatura absoluta)
ρ = P = massa
RT
volume
= [g/cm3]
• Relação direta entre densidade e pressão
P aumenta; ρ aumenta se T é constante)
• Relação inversa entre densidade e temperatura
(T aumenta; ρ diminui se P fica constante)
• Relação direta entre temperatura e pressão
(T aumenta; P aumenta se ρ fica constante)
Por que nos importamos com a densidade?
As variações na densidade direcionam os
movimentos na atmosfera e no oceano,
tanto na vertical quanto na horizontal.
• A densidade baixa do ar é definida quando é
cercada por ar mais denso.
-Pense numa bola submersa na água.
O que acontece quando você a solta?
Processos de Transferência de Calor
• Condução – quando moléculas transferem energia por
contacto com outras moléculas. O ar é um mau condutor de
calor.
• Convecção – quando um fluido move-se de um lugar para
outro carregando sua energia.
– Em ciências atmosféricas, a convecção é usualmente associada a
movimento vertical do fluido (ar ou água).
– A advecção é a componente horizontal do significado clássico de
convecção.
• Radiação – A tranferência de calor por radiaçlão não
requer o contato entre corpos, nem requer o movimento de
um fluido. É realizada por ondas eletromagnéticas.
Radiação – Ondas Eletromagnéticas
1 µm = 0,000001 m = 10-6 m
λ: comprimento de onda
ν: freqüência da onda
As ondas eletromagnéticas não
precisam de moléculas para
se propagar. No vácuo,
viajam com uma velocidade
constante de 3 x 108 m/s.
E = hν - conforme λ decresce,
a energia carregada pela
onda aumenta.
h = 6,625 x 10-34 Js constante
de Planck
Temperatura, Densidade e
Convecção
Aquecimento da superfície da Terra durante o
dia causa a mistura do ar
Convecção Úmida
Ocorrência diurna nos planaltos durante o verão – causada
pelo aquecimento da superfície - bolhas que sobem por
empuxo e liberam calor latente nas nuvens
Mudança de fase da água
Conceitos termodinâmicos importantes
Variação Adiabática da temperatura
• Processo Adiabático:
Quando um material muda seu estado físico, tal como a
temperatura, sem que nenhum calor seja adicionado ou
removido dele.
•Exemplo:
a) Ar ascendente resfria-se; air subsidente se aquece
(não confundir com: b) convecção).
Outros conceitos termodinâmicos importantes
Capacidade térmica:
Quantidade de calor necessária para que a temperatura de
uma substância varie
(e.g., a água tem uma capacidade térmica maior do que o ar)
Calor Sensível:
O calor que pode ser medido por um termômetro.
Calor Latente:
Calor requerido para que uma substância mude de um estado
a outro.
(e.g., calor pode ser adicionado ou removido de uma substância
sem que sua temperatura varie)
Energia Necessária
(1 g) gelo
(1 g) líquido
(1 g) líquido
80 cal
600 cal
1 cal
líquido (condensação)
vapor
líquido
(evaporação)
(T = 1oC)
(1 g) gelo 680 cal vapor
(sublimação)
(1 g) vapor 680 cal gelo
(deposição)
SUBSTÂNCIA
CALOR ESPECÍFICO(cal/goC)
Alumínio .....................
0,226
Bronze
..................... 0,088
Cobre
..................... 0,093
Gelo
..................... 0,53
Ferro
..................... 0,11
Chumbo ..................... 0,03
Vidro
..................... 0,15
Zinco
................ ..... 0,093
Água
...................... 1,0
Água Salgada .............. 0,95
Amoníaco ...................
1,07
Mercúrio ...................
0,033
Álcool
................... 0,6