HUMIDADE DO
AR
Embora a água esteja
presente na atmosfera, em maior ou menor quantidade, a sua presença é geralmente
invisível, porque se encontra sob a forma de vapor. De vez em quando, no
entanto, condensa-se, formando nuvens que fornecem alguns indícios acerca da
evolução do estado do tempo.
A água entra na atmosfera
pelos processos de evaporação e de transpirarão. Mais tarde, volta à terra sob a
forma de precipitação e, assim, completa o ciclo da água (ciclo hidrológico).
Para compreendermos estes
processos e prevermos o futuro estado da atmosfera, temos de estudar as
variações que ocorrem na humidade e estudar os métodos utilizados a para
medir.
O ar húmido. Além dos componentes do ar
seco, indicados no quadro 2-1 a atmosfera contém uma quantidade variável de
vapor de água.
A mistura de ar seco e vapor
de água chama-se ar húmido. Antes de
estudarmos as características do ar húmido ternos de considerar alguns dos
processos pelos quais a água passa de um estado para outro.
Os três estados da
água. Como
já foi referido anteriormente, a água à semelhança de muitas outras substâncias
existentes na Terra, pode aparecer nos três estados da matéria. Para a água os
três estados são os seguintes: - estado sólido – gelo; estado líquido –
água; estado gasoso - vapor de
água.
A água pode passar de um
estado para outro, quer directa quer indirectamente. Os processos pelos quais a
água passa de um estado para outro são: fusão; sublimação; evaporação;
condensação; condensação sólida e congelação ou solidificação.
À medida que a água se
evapora para o ar seco, o vapor
começa a exercer a sua própria pressão parcial, a que se chama tensão do vapor
de água (e). A pressão atmosférica
(p) aumenta, porque é agora igual à
soma das pressões exercidos, tanto pelo vapor de água, como pelo ar seco.
Variações no conteúdo de
vapor de água na atmosfera. A quantidade de vapor de
água presente na atmosfera varia no tempo e no espaço. Regra geral, o teor de
vapor de água aumenta sempre que a temperatura do ar aumenta e diminui quando a
temperatura do ar sofre uma diminuição. Os valores mais elevados da tensão do
vapor de água (cerca de 30 hPa) verificam-se nos trópicos junto à superfície do
mar.
Os valores mais baixos à superfície do globo verificam-se nas regiões elevadas do interior do continente antárctico, durante os meses de Inverno, quando o ar está muito frio.
Em média, a tensão do vapor
de água decresce quando a altitude aumenta. No entanto, pode por vezes ocorrer um
aumento com a altitude, em certas regiões da atmosfera.
A tensão de saturação do ar
húmido.
Consideremos uma superfície plana de água, a um dada temperatura. Algumas das
moléculas do líquido que têm movimento mais rápido escapam-se, geralmente da
superfície da água para atmosfera, pelo processo de evaporação.
Algumas delas regressam à
água, enquanto outras se deslocam, sob a forma de gás, no espaço sobrejacente à
água.
Acabará por se atingir um
momento em que o número de moléculas que regressa à água em cada segundo é igual
ao número das que se escapam. Diz-se então que o espaço imediatamente acima da
água está saturado para a temperatura a que se encontra esse espaço.
A tensão de vapor exercida
pelo vapor de água num volume de ar saturado chama-se tensão de saturação à
temperatura desse volume de ar.
A tensão de saturação varia
com a temperatura. Quando o ar aquece, é necessária uma quantidade maior de
moléculas de vapor de água para saturar o espaço sobrejacente ao líquido. Consequentemente, a pressão parcial
exercida pelo vapor de água é superior. O ar tropical, quente, tem maior
capacidade de retenção do vapor de água do que o ar polar frio. É, portanto, na
vizinhança dos rios, lagos e oceanos tropicais que se verificam tensões de
saturação elevadas.
O processo de
condensação. Se se permitir a entrada
de mais vapor num espaço já saturado a uma dada temperatura, ocorrerá
condensação do vapor de água.
Há outros factores que
afectam a condensação na atmosfera. A condensação ocorre sobre pequenas
partículas em suspensão na atmosfera. Estas são conhecidas por núcleos de
condensação e incluem poeiras, fumo, sal marinho, iões etc.
A condensação em certos
núcleos ocorre com tensões de vapor inferiores à tensão de saturação para uma
superfície plana de água pura à mesma temperatura. Alguns núcleos de
condensação, tais como os núcleos salinos, têm também uma forte tendência para
absorver a água, o que favorece a condensação. Chamam-se núcleos
higroscópicos.
Na atmosfera há geralmente
condensação em resultado do arrefecimento do ar húmido, isto é, ar que contém
vapor de água. Quando a temperatura baixa, é necessária uma menor quantidade de
vapor de água pára o ar ficar saturado. Eventualmente, atinge-se uma temperatura
para a qual a tensão de vapor real se torna igual à tensão de saturação.
Qualquer arrefecimento subsequente provoca a condensação.
Processos
isobáricos.
As relações entre a pressão, a temperatura e o volume dos gases foram
estabelecidos a partir das primeiras experiências da física. Em algumas
experiências conservou-se constante a pressão do gás. Um processo físico em que
a pressão de um gás permanece constante chama-se um processo isobárico. A
palavra "isobárico" significa de igual pressão.
É também possível estudar os
processos isobáricos que ocorrem no ar húmido. Nestes processos aquece-se ou
arrefece-se uma amostra de ar húmido mantendo-se constante a pressão. Não se permite a entrada ou saída de
vapor de água da amostra de ar. Além disso, supõe-se que o vapor de água
permanece no estado gasoso.
Quando o ar é arrefecido
isobaricamente (isto é, a pressão constante), atinge-se uma temperatura para a
qual ele fica saturado. Esta temperatura é conhecida por temperatura do ponto de
orvalho ou, simplesmente, ponto de orvalho.
A temperatura do ponto de
orvalho pode ser definida como a temperatura a que tem de ser arrefecida uma
amostra de ar húmido, a pressão constante, para se atingir a saturação. Se a
temperatura do ar baixar para além do ponto de orvalho, ocorrerá a
condensação.
Processos de
congelação.
A água pura, no estado líquido,
desde que não seja agitada, pode arrefecer até temperaturas inferiores ao ponto
de congelação (0º C), continuando no estado líquido. Diz-se então que está em
sobrefusão.
A introdução de um cristal
de gelo, ou de qualquer núcleo de cristalização, fará com que se verifique a
congelação da água sobrefundida. A congelação ocorrerá também se as gotículas de
água em sobrefusão forem agitadas.
Experiências laboratoriais
mostram que a temperatura mais baixa a que podem existir gotículas em sobrefusão
é de cerca de -40º C. Abaixo desta temperatura a água congela, mesmo na ausência de núcleos de
congelação.
Processos de condensação
sólida (ou deposição). O processo pelo qual o
vapor de água passa directamente a gelo, sem passar pelo estado líquido,
chama-se condensação sólida. Por vezes este efeito é descrito como sublimação,
mas este termo também se usa para descrever a passagem inversa, isto é, do
estado sólido para o gasoso.
A condensação sólida não é
tão vulgar como a condensação. Os núcleos em que tem lugar a condensação sólida
são menos numerosos do que os núcleos de condensação e chamam-se núcleos de
sublimação.
Sabe-se que a tensão de
saturação em relação ao gelo é ligeiramente menor do que em relação à água em
sobrefusão à mesma temperatura, como
está indicado no quadro 5.2 para superfícies planas.
A temperatura do ponto de
congelação é a temperatura a que uma amostra de ar húmido tem de ser arrefecida
a pressão constante, para ficar saturada em relação a uma superfície plana de
gelo. Se o ar húmido for arrefecido para além do ponto de geada, o vapor de água
pode depositar-se, sob a forma de gelo, sobre certos objectos sólidos, incluindo
outras superfícies de gelo ( isto é, sobre núcleos de sublimação).
Do quadro 5-2, poderia parecer possível que a condensação sólida se produzisse enquanto o ar não está saturado em relação à água a essa temperatura. Na atmosfera, no entanto, as partículas de gelo das nuvens geralmente não aparecem enquanto não se atinge a saturação em relação à água. Supõe-se que a condensação se dá primeiro sobre um certo tipo de núcleos de condensação. Se estes forem de um tipo que também actue como núcleos de congelação, a água sobre eles condensada pode então congelar. Há ainda algumas dúvidas quanto ao modo como estes núcleos provocam a congelação, mas parece que uma das propriedades essenciais dos núcleos reside em a estrutura da película de água que resulta da condensação se assemelha à de um cristal de gelo.
Por outro lado, pode já
haver por vezes cristais de gelo presentes, que tenham talvez caído de nuvens
geladas existentes a níveis superioras. Se a tensão de saturação for superior à
tensão de saturação em relação ao gelo, verificar-se-á então a condensação
sólida directa sobre os cristais de gelo.
Calor
latente.
Para fazer uma substância mudar de estado é necessário adicionar ou subtrair
calor a essa mesma substância. Enquanto se realiza a mudança de estado, o calor
adicionado não altera a temperatura.
Por exemplo, à pressão
normal de uma atmosfera, a água começa a ferver a 100º C. Enquanto esta passa do
estado liquido ao gasoso, a temperatura não sobe embora se adicione calor, Este
calor é necessária para separar as moléculas e é conhecido por calor latente de
vaporização.
O calor latente ou
"escondido" é de novo libertado quando o vapor de água volta, por condensação,
ao estado líquido. De maneira semelhante, é necessário o calor latente de fusão
para fundir o gelo e este calor liberta-se, mais tarde, quando a água congela,
transformando-se de novo em gelo.
Indicadores de
humidade. Usa-se
a palavra humidade para descrever qualquer medida da quantidade de vapor
de água contida numa dada porção da atmosfera. Por exemplo, esta quantidade é
por vezes expressa directamente como a massa de vapor de água na unidade de
volume do ar. Por outro lado, pode ser descrita indirectamente pela contribuição
que o vapor de água dá à pressão total de todos os gases atmosféricos.
Um importante indicador de
humidade é a humidade relativa.
Humidade
relativa. A
humidade relativa é um indicador de humidade conveniente. É a proporção entre a
massa de vapor de água realmente presente na unidade de volume de ar e a
necessária para saturar esse ar à mesma temperatura. A humidade relativa é
geralmente expressa em termos de percentagem.
Se o ar não está saturado, a
massa de água presente por unidade
de volume é sensivelmente proporcional á tensão de vapor. Portanto, a humidade
relativa pode ser determinada a partir da relação:
Note-se que a humidade
relativa pode alterar-se, mesmo que o conteúdo de vapor de água se mantenha
constante. Este fenómeno ocorre se se alterar a temperatura da amostra de ar.
Nestas circunstâncias, a humidade relativa tende a atingir o valor mais elevado
pela madrugada, quando a temperatura do ar atinge o mínimo. Em algumas
situações, pode atingir-se a saturação no ar. Se ocorrer a condensação pode
formar-se neblina ou nevoeiro. Quando a temperatura sobe, já durante o dia, a
humidade relativa decresce e a neblina ou nevoeiro desaparece.
Métodos de medição da
humidade.
Os instrumentos utilizados na medição da humidade ou conteúdo de vapor de água
chamam-se higrómetros. Vamos considerar os diferentes meios pelos quais se pode
determinar a humidade do ar
num dado local.
As dimensões de certas
substâncias orgânicas alteram-se quando varia a humidade relativa do ar. Este
efeito é utilizado em alguns higrómetros. Por exemplo, o cabelo humano varia de
comprimento quando a humidade relativa varia. Estas alteraras podem ser
amplificados por um sistema de alavancas e utilizadas para fazer deslocar um
ponteiro. É o princípio do higrómetro de cabelo.
Pode obter-se um registo
continuo da humidade relativa do ar se o ponteiro for substituído por uma pena
que trace a indicação num gráfico ligado a um tambor cilíndrico, em rotação.
Este instrumento chama-se higrógrafo de cabelo.
Um método simples, mas
rigoroso, de medir a humidade consiste na utilização de um psicrómetro. Este
instrumento é constituído simplesmente por dois termómetros montados um ao lado
do outro, um dos quais mede a temperatura do ar e o outro a temperatura do
termómetro molhado.
Por vezes chama-se ao
psicrómetro um higrómetro de termómetro seco e termómetro molhado. O termómetro
molhado é idêntico ao termómetro seco vulgar, utilizado na medição da
temperatura atmosférica. No entanto, o reservatório é coberto por uma camada
fina de musselina de algodão, conservada molhada por meio de uma torcida de fios
de algodão grosso, mergulhada num pequeno recipiente com água destilada. Os
termómetros seco e molhado devem ser ventilados e protegidos da radiação
solar.
Uma vez obtidas as
temperaturas do termómetro seco e do termómetro molhado, podem usar-se tabelas
para determinar a humidade relativa ou temperatura do ponto de orvalho.
Densidade do ar
húmido. A
densidade do ar seco varia com a pressão e a temperatura. Junto à superfície terrestre, à pressão
normal de uma atmosfera (1013,25 hPa) e à temperatura de l5º C (288,15º K), a
densidade do ar é de 1,225 Kg/m3.
Como está indicado no quadro
2.1, o ar seco é uma mistura de gases. Não existe, portanto, molécula de ar seco
propriamente dita. No entanto, é possível determinar o peso molecular médio do
ar seco que é, por vezes, chamado "peso molecular aparente do ar seco". Na
atmosfera, em que os gases estão todos misturados, este valor é de cerca de
28,96.
O vapor de água, por outro
lado, tem um peso molecular sensivelmente igual a 18. Este valor é só cerca de
5/8 do peso molecular médio do ar seco na região da atmosfera que se estende até
à Mesopausa, onde a mistura dos gases é homogénea e a sua composição é
aproximadamente constante. A molécula da água tem, portanto, uma massa inferior
à da "molécula média" do ar seco.
Suponhamos agora que
substituímos algumas das moléculas de um dado volume de ar seco por um número
equivalente de moléculas de vapor de água. A massa do volume de gás ficará,
então, reduzida, donde se conclui que a densidade do ar húmido é inferior à do
ar seco à mesma pressão e temperatura.
Textos: CAP\TOMET Fernando Garrido sob manual MDINT 395/12 FAP
Fotos e desenhos: CAP\TOMET Fernando Garrido