Introdução às Ciências Atmosféricas - Aula2 a

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Energia:
O Aquecimento da Terra e da Atmosfera
Leonardo F. Peres
leonardo.peres@igeo.ufrj.br
METEOROLOGIA GERAL
Roteiro – Aula
1. Introdução
2. Energia
3. Temperatura
4. Calor
5. Escalas de Temperatura
6. Calor específico
7. Calor Latente
1. Introdução
� A Energia está presente em todos os lugares, sendo 
a base da vida.
� Aquecimento de casas;.
� Derretimento de gelo;
� Impulsiona a nossa atmosfera, produzindo os 
eventos de tempo.
� Qual é principal fonte de energia para a Terra?
� Como que esta energia aquece o nosso 
planeta e fornece a força impulsora para a 
nossa atmosfera?
1. Introdução
� Conceito de energia, temperatura e calor;.
� Examinar as várias formas de energia;
� Como a energia é transferida de uma forma 
para outra em nossa atmosfera;
2. Energia
� Energia – capacidade ou habilidade de realizar 
trabalho sobre alguma forma de matéria (algo que 
possui massa e ocupa espaço). Exemplo: livro texto (pág 28).
� Energia Interna – A quantidade total de energia 
armazenada num objeto e determina o quanto aquele 
objeto é capaz de realizar trabalho.
2. Energia
� Energia Interna – Geralmente é dada pela 
soma de 2 tipos de energia:
E = ? + ?
Exemplo: lago atrás de uma represa, pág 28. 
http://noticias.uol.com.br/cotidiano/2009/05/28/ult5772u4179.jhtm
� Este tipo de energia que depende da posição chama-
se de energia potencial gravitacional ou simplesmente 
energia potencial porque representa o potencial de 
realizar trabalho:
PE = mgh
Exemplo: volume de ar no alto (pág 28)
Exemplo: Energia potencial que não depende da posição diferente da potencial 
gravitacional (pág 28)
2. Energia
� Energia Interna – Geralmente é dada pela 
soma de 2 tipos de energia:
E = PE + ?
� Qualquer substância se movendo possui energia de 
movimento ou energia cinética:
KE = ½ mv2
Exemplo: vento (pág 28)
Exemplo: ar e água (pág 28)
� Energia Interna: E = PE + KE Joule (J) = N.m
http://www.physicsclassroom.com/Class/energy/u5l1d.cfmhttp://www.physicsclassroom.com/Class/energy/u5l1d.cfm
2. Energia
� Os átomos e moléculas possuem energia 
cinética devido ao seu movimento. Esta 
forma de energia cinética é geralmente 
referida como energia térmica.
3. Temperatura
� O ar é uma mistura incontável de bilhões de 
átomos e moléculas que estão se movendo 
com velocidade diferente, alguns estão se 
movendo mais rápido do que outros.
� A temperatura do ar (ou de qualquer 
substância) é uma medida da sua energia cinética 
média. Falando de uma maneira simples, a 
temperatura é uma medida da velocidade média 
dos átomos e moléculas, onde maiores temperaturas 
correspondem a maiores velocidades médias.
3. Temperatura
� A atmosfera e oceanos possuem energia 
interna (Potencial + Cinética) armazenada em 
suas moléculas. Como vimos a temperatura do 
ar ou da água é determinada somente pela sua 
energia cinética média (velocidade média) de 
todas as suas moléculas. Portanto, a 
Temperatura é uma quantidade que somente 
indica quão quente ou frio algo está relativo a 
algum valor padrão, nem sempre nos diz o quanto 
de energia interna está armazenada num objeto.
Exemplo: caneca com líquido (pág 28)
4. Calor
� Exemplo: Gelo na mão - Se você segurar uma 
pedra de gelo nas mãos ela irá com certeza 
derreter depois de certo tempo. Como a 
temperatura da sua mão era maior que a 
temperatura do gelo, sua mão perdeu um 
pouco de energia térmica para o gelo.
Exemplo: xícara de chá (pág 28-29)
� A energia que é transferida de um corpo com uma 
temperatura maior para um de temperatura menor 
(por causa da sua diferença de temperatura) é
chamado de calor
4. Calor
� Calor é a energia envolvida no processo de 
transferência de um objeto para outro devido à
diferença de temperatura entre eles.
� Existe uma regra que sempre é válida nos 
fenômenos térmicos naturais:
"Sempre que encostarmos corpos, ou sistemas, que estejam com 
temperaturas diferentes, haverá troca de calor entre eles. E mais, o 
calor sempre passará do corpo de maior temperatura para o corpo 
de menor temperatura, até que ambos atinjam a mesma temperatura, 
ou seja, atinjam o equilíbrio térmico" 
4. Calor
� Depois de ser transferido, o calor é
armazenado como energia interna.
� Como ocorre o processo de transferência de 
energia dentro da atmosfera?
- Condução
- Convecção
- Radiação
5. Escalas de Temperatura
� Você sabe que se quiser medir a largura de 
uma mesa, por exemplo, vai ter que decidir 
qual escala usar. Talvez você use o metro, 
talvez o centímetro. Pois bem, quando você 
precisar medir temperatura também terá que 
escolher uma escala.
� As três mais conhecidas e utilizadas são as 
escalas:
- Kelvin (K)
- Fahrenheit (ºF)
- Celsius (ºC)
5. Escalas de Temperatura
� Já vimos que a temperatura é uma grandeza que 
mede o nível de agitação das moléculas de um corpo. 
Quanto maior a agitação maior a temperatura, e 
quanto menor a agitação, menor a temperatura.
� Se nós lentamente resfriarmos o ar, seus átomos e 
moléculas se moverão mais devagar até que os 
átomos e moléculas possuíssem uma quantidade 
mínima de energia e teoricamente nenhum 
movimento térmico
� Escala Kelvin:
5. Escalas de Temperatura
� O que seria então lógico pensar a respeito da 
temperatura quando as moléculas de um corpo 
qualquer não tivessem agitação nenhuma ??? 
� Escala Kelvin:
Pois é, a temperatura deveria ser igual a zero. Se não 
tem agitação não tem também temperatura. Este 
estado de ausência de agitação é conhecido como zero 
absoluto, e não pode ser experimentalmente alcançado, 
embora possa se chegar muito próximo dele.
A escala Kelvin adota como ponto de partida (0 K) o 
zero absoluto, ou seja, o ponto onde ocorre esta 
ausência total de vibração das moléculas e foi 
introduzida por um famoso cientista britânico chamado 
Lorde Kelvin (1814-1907).
5. Escalas de Temperatura
� Nesta escala o gelo se forma a 273K e a água ferve a 
373K (ao nível do mar).
� Já que está escala começa no zero absoluto, ela não 
contém números negativos, o que é bastante 
conveniente para cálculos científicos
� Esta escala é muito usada no meio científico, já que 
ela pertence ao Sistema Internacional (SI).
� Escala Kelvin:
5. Escalas de Temperatura
� Esta escala foi criada pelo inventor do termômetro de 
mercúrio, Daniel Gabriel Fahrenheit, lá pelos anos de 
1714, quem atribuiu o número 32 à temperatura na 
qual a água congela e o valor de 212 à temperatura 
em que a água ferve. Portanto, na escala Fahrenheit 
a água vira gelo a 32ºF e ferve a 212ºF. Entre os 
pontos de congelamento e ebulição há 180 divisões 
iguais, cada chamada de grau.
� Esta escala é mais usada nos países de língua 
inglesa, com exceção da Inglaterra, que já adotou o 
Celsius.
� Escala Fahrenheit:
5. Escalas de Temperatura
� A escala Celsius foi criada por Anders Celsius, um 
astrônomo sueco, em 1742. O número 0 (zero) nesta 
escala foi atribuído à temperatura na qual a água 
congela e o valor de 100 à temperatura em que a 
água ferve. O espaço entre estes 2 pontos foi dividido 
em 100 partes iguais, também chamado de grau.
� OBS: Cada grau Celsius é 180/100 ou 1.8 vezes maior que 
um grau Farenheit. Um acréscimo de 1°C é igual a um 
acréscimo de 1.8°F.
� Escala Celsius:
5. Escalas de Temperatura
� Relação entre as escalas termométricas:
� Como você pôde ver, cada uma das três 
escalas foi definida de uma maneira 
diferente. Veja ao lado qual a relação 
existente entre elas levando-se em conta 
o ponto de ebulição da água e fusão do 
gelo. Note que estes pontos mudam 
dependendo da escala adotada. Se você 
me perguntar qual a temperatura de fusão 
do gelo eu posso te dar três respostas:0ºC, 32ºF ou 273K. Todas representam a 
mesma temperatura. Seria mais ou 
menos se uma pessoa falasse que andou 
2 metros enquanto outra falasse que 
andou 200 centímetros. Embora os 
números sejam diferentes, a distância é a 
mesma nos dois casos.
5. Escalas de Temperatura
� Relação entre as escalas termométricas:
� Agora você deve estar se perguntando: Como eu faço 
para transformar uma escala na outra? Se alguém me 
falar que a temperatura em Nova Iorque é de 59ºF, 
como vou saber realmente se lá está muito quente ou 
frio, já que eu estou acostumado com outra escala, a 
Celsius?
� Existem equações que podem ser utilizadas para 
fazer estas conversões:
C=5/9(F-32)
K=C+273
http://itg1.meteor.wisc.edu/wxwise/AckermanKnox/chap2/temperature_convt.html
6. Calor Específico
� A quantidade de calor Q recebida por um corpo é
diretamente proporcional à sua massa m e à variação 
de sua temperatura T:
Q = m.c.∆T
Esta fórmula é conhecida como a Equação Fundamental 
da Calorimetria.
� A relação de proporção discutida acima se chama 
coeficiente de calor específico c. Onde:
c = Q/m.∆T
� Unidade de calor específico. [c] = cal/gºC
6. Calor Específico
� Assim o calor específico de uma substância é a 
quantidade de calor necessária para que um corpo 
eleve em 1ºC, 1 grama (g) de sua massa.
� Se aquecemos 1g de água líquida é necessário 
fornecer 1 caloria (cal) para aumentar a sua 
temperatura em 1ºC. Assim a água tem um calor 
específico de 1 cal/gºC.
Por definição, uma caloria é a quantidade de calor necessária para 
aumentar a temperatura de 1g de água de 14.5ºC a 15.5ºC.
No sistema internacional (SI, a unidade de energia é o joule (J), onde 1 
caloria = 4.186 J.
6. Calor Específico
� Se aquecermos 1g de areia de quartzo seria 
necessário somente um quinto de calor (0.2 calorias) 
para aumentar a sua temperatura em 1 ºC. O calor 
específico da água é, portanto 5 vezes maior que o 
da areia de quartzo. Isto é a água precisaria absorver 
5 vezes mais energia do que a areia de quartzo para 
aumentar a sua temperatura por uma mesma quantia.
� Água = 1,000 cal/gºC
� Ar seco = 0,24 cal/gºC
� Quartzo = 0,2 cal/gºC
� Latão = 0,092 cal/gºC
� Prata = 0,056 cal/gºC
� Ouro = 0,032 cal/gºC
6. Calor Específico
� A água aquece vagarosamente como resfria 
vagarosamente. A água possui uma capacidade de 
armazenar calor bem mais alta do que outras 
substâncias comuns.
� Por causa disto, a água possui um papel crucial na 
modificação do tempo e clima. Ela atua como um 
regulador. Próximo de grandes corpos de água, os 
invernos usualmente permanecem mais quentes e o 
verão mais frio do que no interior. Exemplo: Deserto
� Q = C.∆T , onde C é a capacidade calorífica C = m.c
7. Calor Latente
� O vapor de água é um gás invisível que se torna 
visível quando se transforma em líquido ou em 
partículas sólidas (gelo). Este processo de 
transformação é conhecido como mudança de estado ou 
mudança de fase.
7. Calor Latente
� A energia térmica necessária para mudar o estado de 
uma substância, como a água, é chamada de calor 
latente. Mas por que este calor é chamado "latente"? 
Para responder essa pergunta, começaremos com 
algo bastante familiar para nós - o resfriamento 
produzido pela evaporação d'água.
7. Calor Latente
� Por exemplo, na atmosfera, quando uma molécula de 
água evapora da superfície de qualquer corpo de 
água, uma certa quantidade de calor latente é ganho 
pela molécula de água. O calor adicionado durante a 
evaporação é utilizado para superar as forças 
moleculares de atração entre partículas de água (ou 
quebrar as ligações de hidrogênios entre as 
moléculas de água) e não para aumentar a 
temperatura do corpo de água. Ele é latente, porque a 
temperatura de uma substância mudando do estado líquido 
para o gasoso fica constante. 
7. Calor Latente
� Como o processo de transição de uma parcela de 
água em parcela de vapor requer a entrada de 
energia, a temperatura do ar (ou do ambiente) em 
sua volta cai. A evaporação é considerado portanto um 
processo de resfriamento.
7. Calor Latente
� Todo dia, nós experimentamos o resfriamento 
evaporativo quando saímos do banho ou de uma 
piscina situados em um local seco. Como a 
quantidade de energia usada para evaporar a água 
vem da nossa pele, nós podemos experimentar uma 
descida brusca da temperatura da nossa pele. De 
fato, num dia quente, seco e com vento in Tucson, 
Arizona, o resfriamento pode ser tão rápido a ponto 
de causar calafrios mesmo com uma temperatura do 
ar por volta dos 38ºC (100ºF). 
7. Calor Latente
� A energia perdida pelo sistema durante a evaporação 
é então “escondida” ou armazenada na molécula de 
água até ser liberado durante a condensação.
� Se o vapor de água condensa de volta a fase líquida, a 
energia latente absorvida durante o processo de 
evaporação é liberada para o ambiente. Portanto, a 
condensação é considerada como um processo de 
aquecimento
7. Calor Latente
� A energia térmica liberada quando o vapor d'água se 
condensa para formar gotas de chuva é chamada de 
calor latente de condensação. Inversamente, a energia 
térmica usada para transformar líquido em vapor a 
mesma temperatura é chamada de calor latente de 
evaporação (vaporização).
� Perto de 600 calorias (2500 J) são necessárias para 
evaporar 1 g de água a temperatura ambiente. Com 
muitas centenas de gramas de água evaporando do 
corpo, não é de se admirar que depois de um banho, 
sentimos frio antes de nos enxugarmos.
7. Calor Latente
� De certo modo, o calor latente é responsável por 
manter um drinque com gelo mais frio do que um sem 
gelo. A medida que o gelo derrete, sua temperatura 
não muda. A razão para isto é que calor adicionado 
ao gelo é utilizado somente para quebrar a 
configuração de cristal rígida, mudando de gelo para 
água sem mudar a sua temperatura.
� A energia utilizada neste processo é chamada de 
calor latente de fusão (derretimento). São necessárias 
aproximadamente 80 calorias (335 J) para derreter 1g 
de gelo.
7. Calor Latente
� Consequentemente o calor adicionado a um drinque 
gelado com gelo é utilizado principalmente para 
derreter o gelo enquanto que o calor adicionado a um 
drinque gelado sem gelo é utilizado para aquecer a 
bebida.
� Se 1g de água a 0°C muda de volta para gelo a 0°C, 
esta mesma quantidade de calor (80 cal) deve ser 
liberada para o ambiente.
� Portanto quando o gelo derrete, o calor é absorvido, 
quando a água congela, o calor é liberado.
7. Calor Latente
� A energia requerida para mudar gelo em vapor (um 
processo chamado sublimação) é referida como calor 
latente de sublimação. Para 1g de gelo se transformar 
completamente em vapor a 0°C são necessárias 680 
calorias:
� Se o mesmo vapor for transformado de volta em gelo 
(um processo chamado re-sublimação), 
aproximadamente 680 cal (2850 J) serão liberados.
80 cal para o calor latente de fusão + 600 cal para o calor latente de evaporação
7. Calor Latente
� Esta figura resume bem os conceitos examinados até agora.
� Quando a mudança de estado é da esquerda para a direita, o calor é absorvido pela 
substância e retirado do meio ambiente. Os processos de derretimento, evaporação e sublimação 
resfriam o ambiente. Quando a mudança de estado é da direita para a esquerda, a energia 
térmica é tirada da substância e adicionada ao meio ambiente. Os processos de 
congelamento, condensação e re-sublimação aquecem o ambiente.
7. Calor Latente
� O calor latente é uma fonte importante de energia 
para a atmosfera. Uma vez que moléculas de vapor 
se separam da superfície da Terra, elas são 
carregadas pelo vento, como poeira depois de 
varridas. Subindo a grandes altitudes, onde o ar é
frio, o vaporse transforma em líquido e partículas de 
gelo nas nuvens. Durante esse processo, uma 
tremenda quantidade de energia térmica é liberada 
no ambiente. (Veja próxima figura).
7. Calor Latente
Figura: Toda vez que uma nuvem se forma, ela aquece a atmosfera. Dentro desta tempestade 
em desenvolvimento, uma vasta quantidade de energia armazenada (calor latente) é liberada 
para o ar, a medida que moléculas de vapor de água invisíveis se transformam em incontáveis 
gotas de água e cristais de gelo. De fato, para a duração desta única tempestade, mais energia 
térmica é liberada dentro desta nuvem do que é desatada por uma pequena bomba nuclear.
7. Calor Latente
� A liberação de calor latente durante a condensação é
uma importante fonte de energia para impulsionar 
sistemas atmosféricos como tempestades, ciclones 
de latitudes médias, furacões e nuvens cúmulos.
� O vapor d'água evaporando das quentes águas 
tropicais, pode ser transportado até regiões polares, 
onde se condensa e libera energia térmica. Assim 
como veremos, o processo de evaporação–
transporte–condensação é um mecanismo 
extremamente importante para a recolocação da 
energia térmica (assim como da água) na atmosfera.
� Ler secção Focus na página 33.