Tópicos de Meteorologia e Climatologia: Sistema Climático Terrestre Termodinâmica da Atmosfera (Breve Revisão Conceitual) Enio P. Souza (UFCG)

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1 Tópicos de Meteorologia e Climatologia: Sistema Climático Terrestre Termodinâmica da Atmosfera (Breve Revisão Conceitual) Enio P. Souza (UFCG)

2 Conceitos Básicos Lei dos Gases Ideais Primeiro Princípio da Termodinâmica Processos Adiabáticos e Temperatura Potencial Segundo Princípio da Termodinâmica Termodinâmica do Ar Úmido Estrutura Térmica da Atmosfera Estabilidade

3 Conceitos Básicos

4 função de estado é uma propriedade do sistema que tem certo valor definido para cada estado e é independente da maneira de como esse estado foi atingido, entenda- se como estado o status quo do sistema. Pressão, volume e temperatura são exemplos dessas funções

5 Equilíbrio Termodinâmico Equilíbrio Térmico Equilíbrio Mecânico Equilíbrio Químico Processos: Cíclicos e Quase-estáticos

6 Lei dos Gases Ideais GasM (g.mol -1 )Fração do Volume (%) Nitrogênio (N2) 28,013 0,7809 Oxigênio (O2)31,9990,2095 Argônio (Ar)39,9480,0093 Dióxido de Carbono (CO2) 44,0100,0003 Composi ç ão da Atmosfera Terrestre

7 O conhecimento de Md permite a utiliza ç ão da equa ç ão dos gases ideais em uma forma mais adequada. Com Essa forma é mais adequada porque em Meteorologia não se costumam medir V, m e n, que ficam impl í citos nessas duas ú ltimasformas.

8 Conceito de Trabalho Primeiro Princípio da Termodinâmica "Trabalho é energia em trânsito através da fronteira de um sistema, sem transferência de massa, na presença de alguma diferença de potencial, que não seja de temperatura."

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10 Calor e Capacidade Calorífica "Calor é energia em trânsito através da fronteira de um sistema, sem transferência de massa, na presença de uma diferença de temperatura."

11 Primeiro Princípio da Termodinâmica "A soma das trocas de energia, nas formas de calor e trabalho, entre um sistema e sua vizinhan ç a deve ser nula quando o sistema sofre um processo cíclico completo."

12 Energia Interna U

13 Entalpia H

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16 Holton (1992) An Introduction to Dynamic Meteorology Eq. (2.42) Eq. (6.3) Eq. (6.21)

17 Equilíbrio Hidrostático Para pequenas acelerações

18 Equação Hispométrica Integrando-se a Eq. Hidrostática entre Que fornece a relação entre espessura e aquecimento de uma camada

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21 Dinâmica Madden and Julian (1972) JAS Webster and Fasullo (2003) Academic Press

22 Processos Adiabáticos e Temperatura Potencial Definindo

23 Temperatura potencial é a temperatura que uma parcela de ar teria se fosse deslocada adiabaticamente do seu nível de origem até o nível de 1000hPa

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25 Souza et al. (2000) JAS

26 Taxa de Resfriamento Adiabático Def: Taxa de Resfriamento Adiabático Para um processo adiabático

27 Segundo Princípio da Termodinâmica - Qualidade da Energia: Embora a energia se conserve em processos que envolvem trocas de calor, a sua “qualidade” se degrada. - Estabelece limites à possibilidade de realização de determinados processos. - Introduz a função de estado ENTROPIA, que é central na compreensão dos fenômenos atmosféricos. Essa equação não representa um diferencial exato

28 Se for aplicado um “fator integrante” A equação torna-se um diferencial exato. Define-se então a entropia específica “s”, tal que: De forma geral: Desigualdade de Clausius:

29 Relação entre Entropia e Temperatura Potencial Fazendo a derivada logarítmica, vem:

30 Souza et al. (2000) JAS Perfil de Entropia da Atmosfera

31 Umidade Atmosférica Pressão parcial de vapor d’água : e Lei dos gases para o vapor d’água: À saturação:

32 Ar úmido (u) = Ar seco (d) + Vapor ´d’ água (v) Umidade específica:

33 Razão de mistura: Umidade Relativa:

34 Temperatura virtual: Em vez de se falar em uma constante “variável”, aplica-se a correção em T

35 Processos que levam à Saturação: Resfriamento IsobáricoTemperatura do Ponto de Orvalho (T d ). Resfriamento Adiabático Nível de Condensação por Levantamento (NCL)

36 Mudanças de Fase e Calor Latente Cada fase de um sistema heterogêneo possui uma entalpia específica, na forma: Quando uma substância muda da fase 1 para 2, o processo envolve uma Quantidade de calor, chamada de calor latente, de modo que: No caso da condensação de uma quantidade de vapor d’ água:

37 Estrutura Térmica da Atmosfera

38 Processos Adiabáticos Saturados Com uma fonte interna dada por: Com

39 Taxa de Resfriamento em 2007 Divergencia Media em Outubro *10E6 1/s

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41 Oceano

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43 Sertão

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45 Sul

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47 NCL ee z   

48 Z TATA TBTB TCTC T0T0 ABC T Z1Z1 Z0Z0 dZ Critérios de Estabilidade

49 Método da Parcela: A parcela não troca calor com o ambiente; A parcela mantém sua identidade (não se mistura com o ambiente); Não há movimentos compensatórios no ambiente A cada instante as pressões da parcela e do ambiente são iguais (p p =p). Parcela em Deslocamento Vertical Estabilidade

50 Que admite solução do tipo: N é a frequência de Brunt-Vaissalla

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52 Estabilidade em termos de Temperatura Potencial

53 Souza et al. (2000) JAS

54 Instabilidade Condicional Estabilidade de Processos Saturados

55 Instabilidade Mecânica e Número de Richardson

56 Enio P. Souza esouza@dca.ufcg.edu.br