termodinâmica da atmosfera wallace, j. m. e hobbs, p. v., 1977, atmospheric science: an...

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Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

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Page 1: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Termodinâmica da

Atmosfera

WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977,

Atmospheric Science: an Introductory

Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Page 2: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Lei dos Gases

gases dos constanteR

atemperaturT

massam

volumeV

pressãop

mRTpV

RTpV

m

RTp

1

Page 3: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Lei dos Gases

1-1- kmolK J 8314,3R*

gases dos universal constanteR*

molecular massaM

gases dos constanteR

*

MRR

TnRpVM

mn

*

97,28

d

i i

i

ii

d

M

Mm

mM

622,0

kgK J461*

kgK J287*

2

2

1- 1-

1- 1-

d

OH

v

d

OHv

dd

M

M

R

R

M

RR

M

RR

Page 4: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Lei dos Gases

TRp ddd

TRe vv

)1)(/(1

)1(1

'

'''

''

pe

TT

TRp

p

e

TR

p

TR

e

TR

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TRpTRe

V

mm

v

vd

d

vd

d

dddvv

vdvd

Temperatura Virtual

Page 5: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Equilíbrio Hidrostático

z

p

zp z

dzgzp

dzgdp

dpgdz

gdz

dp

dzgdp

)(

)(

Equação Hidrostática

p(0) = 1013 hPa

Page 6: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Geopotencial

1

2

2

1

012

12

000

0

1)(

0)0()(

p

p vd

p

p vd

vd

vd

z

z

p

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g

RZZ

p

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p

dpTR

p

dpRTd

TR

pg

RT

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dz

dp

gdzgg

zZ

dzgz

dpgdzd

Altura geopotencial Z

Geopotencial

Page 7: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Equação Hipsométrica

vvd

vd

p

p v

p

p

p

p v

v

p

p vd

p

p vd

Tg

TRH

p

pH

p

p

g

TRZZ

pp

pdT

pd

pdTT

pdTg

R

p

dpT

g

RZZ

3,29

lnln

ln

ln

ln

ln

ln

0

2

1

2

1

012

2

1

ln

ln

ln

ln

ln

ln

ln

ln00

12

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

Altura de escala

Page 8: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Primeira Lei da Termodinâmica

pddudq

pddw

pdVpAdxdW

dwdudq

dudwdq

Page 9: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Lei de Joule

Se gás se expande sem realizar trabalho externo (sem uma câmera vazia, por exemplo) e sem absorver ou liberar calor, a temperatura do gás não muda (energia cinética das moléculas é constante).

Por outro lado, se dq=0 e dw=0, então du=0.

Então, como u=ec+ep, u e ec constantes implicam em ep constante, mesmo mudando o volume.

A energia interna de um gás ideal independe do volume se a temperatura é constante, ou seja, a energia interna depende apenas da temperatura.

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Calores Específicos

Se dq é dado para uma unidade de massa de material e, por conseqüência, a temperatura aumenta de T para T+dT, sem troca de fase.

dq/dT = calor específico

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Calores Específicos

pddTcdqdT

duc

dT

duc

dudqpddudq

dT

dqc

v

v

constv

constv

Page 12: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Calores Específicos

dpdTcdq

RcdT

dqc

dpdTRcdq

dpRTddTcdq

dppddTcdq

pddTcdq

p

vconstp

p

v

v

v

v

)(

)(

)(

Page 13: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Entalpia

Se calor é adicionado a pressão constante:

dpdhdq

dppddupddudh

puhhhdq

pupu

puudq

pddudq

)(

)()(

)()(

12

1122

1212

Page 14: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Entalpia

Para parcela de ar se movendo em atmosfera hidrostática, a quantidade (h+) é constante em um processo adiabático.

)(

)(

Tcddq

hddq

ddhdq

dpgdzd

Tch

dTcdhdpdhdq

dpdTcdq

p

p

pp

Page 15: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Calor LatenteCalor fornecido sem alteração de temperatura aumento da energia interna está associado a mudança na configuração das moléculas = mudança de fase.Calor latente de derretimento, a pressão e temperatura normal = calor necessário para converter uma unidade de massa de sólido para líquido sem alteração de temperatura = calor latente de fusão=3,34.105 J.kg-1.Calor latente de evaporação=calor latente de condensação=2,5.106 J.kg-1.Ponto (temperatura) para derreter e ferver depende da pressão e calor latente de fusão e evaporação variam com a temperatura.

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Processos Adiabáticos Mudança de estado = variação de

pressão, temperatura ou volume, sem subtração ou adição de calor adiabática.

Transformação isotérmica AB é menos inclinada que a transformação adiabática AC, porque na compressão adiabática aumenta u e logo T.

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Parcela de Ar

Dimensões infinitesimais;Termicamente isolada do ambiente, de maneira que a temperatura varia adiabaticamente;Está sempre na mesma pressão que o ambiente e em equilíbrio hidrostático;Move-se lentamente, de maneira que sua energia cinética é uma pequena fração da energia total.

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Variação Adiabática (lapse rate)

dp

pp

p

p

c

g

dz

dT

gdz

d

dz

dTc

dz

Tcd

Tcddq

gdz

ddpgdzd

dpdTcdq

0)(

0)(

Page 19: Termodinâmica da Atmosfera WALLACE, J. M. e HOBBS, P. V., 1977, Atmospheric Science: an Introductory Survey, Academic Press, Inc., New York, EUA

Temperatura Potencial É a temperatura que a parcela de ar teria se fosse

expandida ou comprimida adiabaticamente de sua pressão e temperatura até a pressão padrão po, que é geralmente de 1000 hPa.

p

p

o

c

R

o

o

R

c

o

pp

p

Tp

pp

p

p

pT

p

pT

p

pT

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R

c

dppT

dT

R

cdp

p

RTdTc

p

RTRTp

dpdTcdq

lnlnlnln

01

0

0

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Vapor de Água no Ar

pw

we

p

MmMm

MmMm

MmMm

p

Mm

Mm

Mm

pnn

n

wd

ww

dd

wd

wd

ww

w

w

d

d

w

w

wd

w

e

:vapor de Pressão

seco ar de massa

vapor de massa

m

mw

:mistura de Razão

d

v

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Pressão de Vapor de Saturação

Saturação, sobre uma superfície plana de água pura, é a condição de equilíbrio entre a evapo-ração e a condensação.

Similarmente, pode-se definir saturação sobre gelo ou sobre uma superfície curva.

T

1

273

1

R

LexphPa6,11(T)e

vs

Equação Clausius-Clapeyron

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Vapor de Água no Ar

p

TeTp

p

e

ep

e

ep

e

TRepTR

e

s

s

s

s

s

s

d

s

v

s

d

vs

)(622,0),(w

622,0622,0w

'

'

m

mw

:saturação de mistura de Razão

s

s

d

vss

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Vapor de Água no Ar

satura. menteadiabatica levantada parcela qual na Altura

toLevantamen por oCondensaçã de Nível

p) pressão e T atemperatur a(w

p) pressão e T atemperatur a(w100UR

:Orvalho de Ponto de aTemperatur

100w

w100UR

:Relativa Umidade

s

ds

s

se

e

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Variação Adiabática Saturada

dTdw

cLdz

dT

c

g

dz

dT

dT

dw

c

L

c

g

dz

dT

dT

dw

c

L

dz

dT

c

g

dz

dw

c

L

dz

dT

gdzdTcLdw

gdzdTcdpdTcdq

s

p

ds

dp

s

p

p

s

p

p

s

p

ps

pp

1

1

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Temperatura Potencial Equivalente

dpp

R

T

dTc

d

pc

RT

p

pT

dwT

L

T

dqLdwdq

dpp

R

T

dTc

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dqdp

p

RTdTcdq

p

RTRTpdpdTcdq

p

p

c

R

o

ss

pp

p

p

pc

constlnlnln

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Temperatura Potencial Equivalente

T

Lw

T

Lw

d

T

Lwd

T

Lwd

T

Ldw

ddw

T

L

dpp

R

T

dTc

d

dwT

L

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dqdp

p

R

T

dTc

T

dq

se

s

T

Lwsss

s

p

sp

e

s

pep

c

0ppp

p

p

cexpln

c

ccc

c

c

p

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Estabilidade Estática

dE

dE

dE

dz

dT

dz

dT

dz

dT

se

estável

neutro

instável

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Estabilidade Estática

d

p

pp

pssp

pps

Tdz

d

c

g

dz

dT

Tdz

d

gdzdTcd

Tc

dTcLdw

ddw

Tc

L

gdzdTcdpdTcdqLdw

11

11

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Estabilidade Estática

0

0

0

se

estável

neutro

instável

Edz

d

dE

dE

dE

dz

dT

dz

dT

dz

dT

se

estável

neutro

instável

d

E

Tdz

d

dz

dT

11

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Estabilidade Condicional

dE

dE

dE

s

sE

sE

dz

dT

dz

dT

dz

dT

dz

dT

dz

dT

se

estável

neutro

instável lmentecondiciona

neutro

instável

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Estabilidade Condicional