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Ciclo Hidrológico

Augusto Heine

O Ciclo da Água

Apesar dessa simplificação, o ciclo hidrológico é um meio conveniente de apresentar os fenômenos hidrológicos, servindo também para dar ênfase às quatro fases básicas de interesse do engenheiro, que são:

precipitação;

evaporação e transpiração;

escoamento superficial;

escoamento subterrâneo.

Massa específica da água

• A massa específica, ou densidade, é a massa por unidade de volume de uma substância e o peso específico é o peso por unidade de volume.

• Para a massa específica normalmente é usado o símbolo , e nas unidades do SI é dada em Kg.m-3.


• O peso específico é simbolizado pela letra grega g e é dado em unidades de N.m-3.

• As duas variáveis estão relacionadas pela segunda lei de Newton, usando a aceleração da gravidade (g):


onde g é a aceleração da gravidade (m.s-2).


• A variação do valor da massa específica da água com a temperatura é bastante incomum, e tem um importante papel no meio ambiente.

• Por exemplo, a água líquida a 0oC é mais densa que o gelo.


• Por outro lado, quando a água líquida a 0oC é aquecida sua densidade inicialmente aumenta até a temperatura de 3,98oC, quando a sua massa específica atinge 1000 Kg.m-3.

• A partir desta temperatura a densidade da água diminui com o aumento da temperatura, como acontece com a maior parte das substâncias.


• A massa específica da água a 3,98 oC é de 1000 Kg.m-3.

• A do gelo é de aproximadamente 920 Kg.m-3.


• A massa específica da água líquida a diferentes temperaturas pode ser estimada pela equação abaixo (Dingman, 2002):

Atenção

• A presença de substâncias dissolvidas ou em suspensão na água pode alterar a sua massa específica.

• Assim, a água salgada é mais densa do que a água doce, e a água com alta concentração de sedimentos de alguns rios pode ter densidade significativamente diferente da água limpa a mesma temperatura.

Calor específico da água

• A estrutura molecular da água (H2O) é responsável por uma característica fundamental da água que é a sua grande inércia térmica, isto é, a temperatura da água varia de forma lenta.


• O sol aquece as superfícies de terra e de água do planeta com a mesma energia, entretanto as variações de temperatura são muito menores na água.

• Em função deste aquecimento diferenciado e do papel regularizador dos oceanos, o clima da Terra tem as características que conhecemos.


• O calor específico é a propriedade de uma substância que relaciona a variação do

• conteúdo de energia à variação da sua temperatura.

• É definido como a quantidade de energia absorvida ou liberada ( ) por uma massa M de uma substância enquanto sua temperatura aumenta ou diminui por um valor de .


• Cada grama de água precisa receber cerca de uma caloria para aumentar sua temperatura em 1 oC.

• Em unidades do SI o calor específico da água (Cp) é de 4216 J.Kg-1.K-1.

• Isto significa que é necessário fornecer 4216 Joules de energia para cada Kg de água ter sua temperatura aumentada em 1 grau Kelvin.

Calor latente de fusão

• A quantidade de energia liberada pela água congelada a 0oC durante o processo de fusão é denominada calor latente de fusão.

• O valor do calor latente de fusão da água é de,

• aproximadamente, 334 KJ.Kg-1.

Calor latente de vaporização

• A quantidade de energia absorvida pela água na passagem da fase líquida para a gasosa (vapor) é o calor latente de vaporização.

• A temperaturas abaixo de 100 oC algumas

• moléculas de água na superfície podem romper as ligações inter-moleculares com as

• moléculas vizinhas e escapar do meio líquido, vaporizando-se.


• Assim, a vaporização pode ocorrer a temperaturas inferiores à do ponto de ebulição.

• A 100 oC o calor latente de vaporização é de 2,261 MJ.Kg-1, o que corresponde a cinco vezes mais energia do que a necessária para aquecer a água de 0 a 100 oC.


• O calor latente de vaporização decresce com o aumento da temperatura.

• Esta relação pode ser aproximada pela equação abaixo:


• A grande capacidade de armazenar calor da água na forma de vapor tem um papel importante no transporte de energia na atmosfera, das regiões mais tropicais para as regiões mais próximas dos pólos.

• A liberação de energia que ocorre durante a condensação tem um papel fundamental na formação das nuvens e no processo de formação das chuvas.

Exercícios • 1) Mostre que o calor latente de vaporização da

água a 100 oC corresponde a mais de cinco vezes a energia necessária para aquecer a água de 0 a 100 oC.

• 2) Calcule o aumento de temperatura médio da água em uma piscina com 100 m2 de área e 2 m de profundidade devido à absorção de radiação de 7 MJ.dia-1.m-2. Considere que a temperatura inicial é de 20 oC, e que não existem perdas de calor na água da piscina.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

• Embora possa parecer um mecanismo contínuo, com a água se movendo de uma forma permanente e com uma taxa constante, é na realidade bastante diferente, pois o movimento da água em cada uma das fases do ciclo é feito de um modo bastante aleatório, variando tanto no espaço como no tempo.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

• Em determinadas ocasiões, a natureza parece trabalhar em excesso,

• quando provoca chuvas torrenciais que ultrapassam a capacidade dos cursos d’água provocando inundações.

• Em outras ocasiões parece que todo o mecanismo do ciclo parou completamente e com ele a precipitação e o escoamento superficial.

• E são precisamente estes extremos de enchente e de seca que mais interessam aos engenheiros, pois muitos dos projetos de Engenharia Hidráulica são realizados com a finalidade de proteção contra estes mesmos extremos.

BACIA HIDROGRÁFICA

BACIA HIDROGRÁFICA

• Dentre as regiões de importância prática para os hidrologistas destacam-se as Bacias Hidrográficas (BH) ou Bacias de Drenagem,

• por causa da simplicidade que oferecem na aplicação do balanço de água,

• os quais podem ser desenvolvidos para avaliar as

componentes do ciclo hidrológico para uma região hidrologicamente determinada

DEFINIÇÕES

• Bacia Hidrográfica é, portanto, uma área definida topograficamente, drenada por um curso d’água ou por um sistema conectado de cursos d’água, tal que toda a vazão efluente seja descarregada por uma simples saída.

DEFINIÇÕES

microbacia hidrográfica:

• É uma área de formação natural, • drenada por um curso d’água e seus afluentes, • a montante de uma seção transversal considerada, • para onde converge toda a água da área

considerada. • A área da microbacia depende do objetivo do

trabalho que se pretende realizar (não existe consenso sobre qual o tamanho ideal).

CRUCIANI, 1976

DEFINIÇÕES

• a) para verificação do efeito de diferentes práticas agrícolas nas perdas de solo, água e nutrientes→ área não deve exceder a 50 ha.

• b) estudo do balanço hídrico e o efeito do uso do solo na vazão → áreas de até 10.000 ha.

• c) estudos que requerem apenas a medição de volume e distribuição da vazão → bacias representativas com áreas de 10 a 50 mil ha.

PEREIRA (1981)

DEFINIÇÕES

• A resposta hidrológica de uma bacia hidrográfica é transformar uma entrada de volume concentrada no tempo (precipitação) em uma saída de água (escoamento) de forma mais distribuída no tempo .

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