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Densidade do ar
A densidade do ar, ρ (em grego: rô), mais corretamente denominada massa específica do ar é a massa por unidade de volume da Atmosfera da Terra.
A densidade do ar é uma importante variável na dinâmica da atmosfera, o aquecimento e resfriamento do ar alteram a sua densidade isso provoca o deslocamento do ar com a formação de brisas marítimas, ventos e a própria circulação atmosférica. A densidade do ar, assim como a pressão do ar, diminui com o aumento da altitude. Também sofre alterações com a variação da temperatura, umidade ou composição do ar seco. A ISA (Atmosfera Padrão Internacional), considera que ao nível do mar e a 15 °C o ar tem uma densidade de cerca de 1,225 kg/m3 (0,001225 g/cm3, 0,0023769 slugs/ft3).
Em diversos ramos da ciência a propriedade é utilizada em pesquisa, ciência aplicada e tecnologia. Em muitos equipamentos e processos a densidade do ar influi no desempenho, em outros é alterada em relação a densidade atmosférica para sua utilização, um exemplo é a pressurização do ar para uso em cilindro de mergulho no mergulho autônomo em profundidades menores.
O aquecimento e resfriamento do ar alteram a sua densidade,[1] este quando aquecido diminui de densidade e tende a subir (como o "ar quente em um balão o eleva); e quando resfriado aumenta de densidade e tende a descer (como o ar de um refrigerador que ao ser aberto escoa para baixo). Esses comportamentos acoplados provocam a formação de correntes de ar como brisas marítimas, ventos e a própria circulação atmosférica. Deve-se salientar que o aquecimento e resfriamento do ar atmosférico e consequentemente as alterações de densidade do ar, são na sua maior parte provocados por duas fontes:
pelo calor recebido do sol durante o dia e o calor perdido para o espaço especialmente nas regiões polares, esse calor é transferido principalmente pela (ou para) a superfície terrestre, aqui consideradas massas de terra ou de água como os oceanos, mares e lagos e em menor proporção absorvido como radiação diretamente pelo ar.
pela transferência de umidade pelo (ou para) o ar atmosférico que devido a grande quantidade de calor fornecido (ou retirado) pela condensação (ou evaporação) da água provoca alterações significativas nos fenômenos meteorológicos.
Como exemplo do emprego da densidade do ar na descrição meteorológica da atmosfera terrestre podemos citar a sua utilização na dinâmica da atmosfera, no movimento de parcelas de ar forma científica de caracterizar o fenômeno vento e em decorrência também a circulação atmosférica. A variação na quantidade de movimento de uma parcela de ar ocorre devido a ação de três forças segundo a equação do movimento abaixo:
Altitude
Com o aumento da altitude o ar diminui de densidade tornando-se mais rarefeito, isso ocorre devido a gravidade da Terra exercer sua força sempre no sentido do centro do planeta, mantendo o ar próximo ao nível do mar em maior concentração. A variação da densidade com a altitude é importante para alguns ramos da ciência como aeronáutica astronáutica tendo sido elaborados métodos de cálculo e tabelas para permitir a padronização dos resultados das variáveis atmosféricas como temperatura, pressão, densidade e composição, a exemplo da Atmosfera Internacional Padrão e suas extensões utilizadas pela aviação civil e da NRLMSISE-00 utilizada para estudos sobre satélites, como nos cálculos de arrasto aerodinâmico de satélites em órbitas baixas. A figura Densidade do Ar exemplifica os valores de diversos pontos e altitudes para a densidade do ar.
Sua Aplicação
A densidade do ar é uma propriedade utilizada em diversos ramos da ciência como aeronáutica; análise gravimétrica; a indústria de ar condicionado; a pesquisa atmosférica e meteorologia; a engenharia agrícola em sua modelagem e monitoramento de Transferências Solo-Vegetação-Atmosfera (SVAT); e a comunidade de engenharia que se ocupa com o ar comprimido como utilidade na indústria, nos processos de aquecimento, secagem e resfriamento na indústria, a exemplo de torres de resfriamento, processos de vácuo e alto vácuo, processos de alta pressão, processos de combustão a gás ou a óleos leves como turbinas que alimentam aeronaves e geradores ou fornos de aquecimento, e ar condicionado para uso em minas profundas ou para cápsulas espaciais.
Tecnologia
A densidade do ar é uma propriedade utilizada em diversos ramos da ciência como aeronáutica; análise gravimétrica; a indústria de ar condicionado; a pesquisa atmosférica e meteorologia; a engenharia agrícola em sua modelagem e monitoramento de Transferências Solo-Vegetação-Atmosfera (SVAT); e a comunidade de engenharia que se ocupa com o ar comprimido como utilidade na indústria, nos processos de aquecimento, secagem e resfriamento na indústria, a exemplo de torres de resfriamento, processos de vácuo e alto vácuo, processos de alta pressão, processos de combustão, a gás ou a óleos leves como turbinas que alimentam aeronaves e geradores ou fornos de aquecimento, e ar condicionado para uso em minas profundas ou para cápsulas espaciais.
Cálculos da densidade do ar
Dependendo dos instrumentos de medição, utilização, área de conhecimento e rigor necessário do resultado, são utilizados diferentes critérios de cálculo e conjuntos de equações para o cálculo do valor da densidade do ar. Neste tópico são exemplificados alguns cálculos com as principais variáveis envolvidas. Os valores apresentados são valores usuais, embora diferentes valores possam ser encontrados em outras referências, dependendo dos critérios de cálculo utilizados. Além disso deve-se ter atenção ao fato de o ar ser uma mistura de gases e os cálculos sempre simplificam, em maior ou menor grau, as propriedades da mistura e os valores de composição de acordo com os critérios de cálculo utilizados.
Variáveis da densidade do ar
Temperatura e pressão
A densidade do ar seco pode ser calculada usando a lei dos gases ideais, expressa como função da temperatura e da pressão:
A constante específica dos gases para o ar seco é 287,058 J/(kg·K) em unidades SI, e 53,35 (ft·lbf)/(lbm·°R) nos sistemas americano e inglês. Este valor pode variar um pouco dependendo da composição molecular do ar em um determinado local.
Resultando:
Nas condições padrão de temperatura e pressão, conforme IUPAC (0 °C e 100 kPa), o ar seco tem uma densidade de 1,2754 kg/m3.
Para 20 °C e 101,325 kPa, o ar seco tem uma densidade de 1,2041 kg/m3.
Para 70 °F e 14,696 psi, o ar seco tem uma densidade de 0,074887lbm/ft3.
Altitude
Para calcular a densidade do ar em função da altitude, são necessários parâmetros adicionais. Eles estão listados abaixo, juntamente com os seus valores de acordo com a Atmosfera padrão internacional, utilizando no cálculo a constante de gás universal e o mol do ar substituindo a constante específica do ar:
A temperatura na altitude h em metros acima do nível do mar é aproximada pela seguinte fórmula (somente válida dentro da troposfera).
A pressão a uma altitude {\displaystyle h}h em metros é obtida por:
Referências Bibliograficas
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