Conceitos principais
Este artigo mergulha sobre como o ciclo da água funciona. Ele explora os processos químicos e físicos que conduzem as mudanças de fase que experimentamos todos os dias.
Introdução
A água é tão importante para o mundo inteiro. Precisamos de água para a sobrevivência. Na verdade, você já pode ter bebido alguns hoje. Além de apenas nossa saúde, a água é essencial para muitas coisas em que confiamos, como produção de energia, regulamentação climática, agricultura e saúde do ecossistema. A água conecta tudo, desde a terra ao céu. Apesar de ser abundante, a água doce é realmente limitada em algumas regiões. Sua disponibilidade é determinada por um equilíbrio de processos que ajudam a reabastecer as fontes de água superficial e subterrânea. Alguns deles já podem estar familiarizados, como evaporação, precipitação e condensação.
A molécula de água
A estrutura da água é simples, mas poderosa. É composto por um oxigênio e duas moléculas de hidrogênio em forma dobrada. A água também é um Molécula Polar por causa do Eletronegatividade diferença entre o oxigênio e o hidrogênio. Uma extremidade da molécula tem uma carga positiva (hidrogênio) e uma extremidade tem uma carga negativa (oxigênio). A polaridade da água permite dissolver muitas substâncias. É conhecido como o “solvente common”. Esta polaridade também permite formar ligações de hidrogênio onde o hidrogênio de uma molécula se liga ao oxigênio de outro.
Essas ligações de hidrogênio são responsáveis pelas exibições de água de coesão e adesão. Coesão é a atração de moléculas de água para outras moléculas de água. A adesão é a atração de moléculas de água para outras superfícies. As forças adesivas são uma grande razão pela qual a água percorre hastes de plantas.
A termodinâmica do ciclo da água
A água percorre as fases sólidas, líquidas e gás com base na transferência de energia. Isso é baseado na absorção ou liberação de calor. Por exemplo, a evaporação é uma reação endotérmica, porque a água absorve uma quantidade significativa de calor para se transformar em vapor. Vamos percorrer exatamente como isso acontece, a capacidade de calor específica da água determina quanta energia é necessária para elevar a temperatura de um grama de água em um grau. A água tem uma capacidade de calor específica razoavelmente alta de 4,184 joules por grama por grau Celsius. Pode absorver muito calor quando comparado a outras substâncias. Essa propriedade da água é frequentemente por que os oceanos e lagos aquecem e esfriam mais rápido que o ar externo. No entanto, isso representa apenas a temperatura de mudança de água. Para representar fases de mudança de água na evaporação e condensação, devemos olhar para o calor latente da vaporização. O calor latente de vaporização da água é de 2257 joules por grama. Representa a quantidade de energia que é absorvida pela água durante a evaporação sem uma mudança de temperatura e é muito maior que a capacidade de calor específica. A mesma quantidade de energia é liberada durante a condensação. A condensação é exotérmica porque a água libera um calor considerável para passar de um vapor em líquido. Por outro lado, para derreter e congelar, devemos olhar para o calor latente de fusão da Water, que é 334 joules por grama. Então, quanto calor precisaria evaporar 1 litro de água? Bem, 1 litro de água é de 1000 gramas. Então, se multiplicarmos 1000 gramas por 2257 Joules, precisamos de 2,26 milhões de joules! Isso é energia suficiente para alimentar uma lâmpada de 60 watts padrão por mais de 10 horas!
A temperatura em que essas mudanças de fase ocorrem não apenas depende da entrada de energia, mas também da pressão atmosférica. Enquanto na Terra, normalmente experimentamos pressões estáveis em torno de 1 atm, até as mudanças na pressão afetam como e quando ocorrem condensação ou congelamento. A termodinâmica por trás do ciclo da água ajuda a moldar o clima, mitigar o calor, mudar paisagens e sustentar a vida. Vamos dar uma olhada mais profundamente em como esses saldos de pressão e energia afetam o clima que experimentamos diariamente.
As fases do ciclo da água
Existem nove processos do ciclo da água que este artigo discutirá: evaporação, transpiração, condensação, congelamento, derretimento, precipitação, infiltração, escoamento, sublimação e deposição. Esses processos são frequentemente impulsionados por mudanças no estado físico (também conhecido como fase) da água. A água pode existir como um sólido, líquido ou gás. Portanto, muitos desses processos representam uma mudança de fase da água. As mudanças de fase da água são causadas principalmente por dois fatores: pressão e energia. A energia está na forma de energia térmica (energia térmica).
Evaporação e transpiração
A evaporação é quando a água passa por uma mudança de fase de um líquido para um gás (vapor de água). É um processo endotérmico que requer uma entrada de energia. A evaporação resfria as superfícies de lagos, solos e até nossa pele. A água pode evaporar a qualquer temperatura entre seu ponto de congelamento (0 graus Celsius) até o seu ponto de ebulição (100 graus Celsius). Isso acontece quando algo perde a umidade. A evaporação pode acontecer de superfícies naturais, como corpos do solo e água. Isso também pode acontecer em ambientes urbanos, como fora das estradas e calçadas. A transpiração é evaporação especificamente de superfícies vegetais, como folhas, caules e flores. Muitas vezes, a evaporação e a transpiração são combinadas para representar um único processo: evapotranspiração. A evapotranspiração representa o processo combinado de água que se transfer da superfície da Terra para a atmosfera.
A evaporação e a transpiração são uma fonte de vapor de água que alimenta a formação de nuvens e até as tempestades. A taxa de evaporação aumenta com o aumento da temperatura da terra, isso pode criar um ciclo de suggestions que intensifica secas e padrões de tempestades.
Condensação e formação de nuvem
O oposto da evaporação é a condensação, que é a mudança de fase de água de um gás para um líquido. Este é um processo exotérmico que libera o mesmo calor absorvido durante a evaporação. Você deve ter notado isso do lado de fora de um copo com gelo ou em uma janela fria. A condensação permite a formação de nuvens. Esta liberação de calor aquece o ar circundante, o que pode levar à instabilidade. A condensação forma a base para furacões e tempestades através da produção de ar quente. Esse loop de suggestions positivo cria fortes atualizações e pode levar a tempestades mais intensas. Os furacões podem produzir até 6,0 x 1014 Watts por dia. Isso é 200 vezes a capacidade de geração de eletricidade do mundo!
Congelando e derretendo
Durante o inverno, a água geralmente sofre uma mudança de fase chamada congelamento. Passa de um líquido para um sólido. É um processo exotérmico que libera calor. Esse congelamento produz o que todos conhecemos como neve. O congelamento também acontece em nossos freezers para produzir cubos de gelo. A água congela no ponto de congelamento (0 graus Celsius). O ponto de congelamento é onde as fases sólidas e líquidas estão em equilíbrio. Após o congelamento da água, ele volta para um líquido através do derretimento. A fusão é um processo endotérmico que absorve o calor. O congelamento ajuda a formação de neve enquanto os eventos de derretimento influenciam o escoamento e os riscos de inundações.
Precipitação e escoamento
Embora não sejam consideradas mudanças de fase, a precipitação (precipitação) e o escoamento são processos -chave que acontecem como resultado de mudanças de fase. A condensação permite que as gotículas de água se formem na atmosfera. Quando essas gotículas ficam grandes o suficiente, elas caem na superfície. O tipo exato de precipitação que você obtém depende da temperatura vertical e do gradiente de pressão da atmosfera. Por exemplo, às vezes durante o inverno, você recebe chuva congelante que se transforma em neve ou granizo. À medida que a precipitação cai, ele pode entrar em contato com o ar de diferentes temperaturas ou pressões, fazendo com que derreta, recorva ou fique congelado o tempo todo!
Depois que as nuvens começam a precipitar, a água da chuva atinge a superfície da Terra. Algumas delas começarão a entrar no solo através de um processo chamado infiltração. No entanto, quando o solo ficar saturado ou se a taxa de precipitação exceder a capacidade de infiltração da superfície, o excesso de água começará a fluir sobre a superfície. Isso é chamado de escoamento. Certas paisagens, como encostas íngremes, são mais propensas ao escoamento do que outras. Um bom exemplo disso são as encostas íngremes da montanha.
Sublimação e deposição
A sublimação e a deposição são únicas porque são saltos de fase direta. A sublimação é um processo endotérmico e precisa de grandes quantidades de energia para “pular” a fase líquida. É quando um sólido vai para um gás. A sublimação é mais comum em ambientes de alta altitude, como tops de montanhas cobertos de neve e gelo ou geleiras. Tampos de montanha nevada podem perder neve ou gelo na forma de vapor de água. Este vapor de água é empolgado pelo vento. O depoimento é exatamente o oposto, é quando um gás se transforma diretamente em um sólido. O processo de deposição é altamente exotérmico. A formação de geada em uma manhã fria pode ser um exemplo de depoimento quando o ar úmido entra em contato com uma superfície fria.
Como os humanos mudaram o ciclo da água
Os seres humanos alteraram bastante o movimento da água e o equilíbrio energético do ciclo da água. Alterações no uso da terra, queima de combustível fóssil, bombeamento de água subterrânea e poluição como um todo influenciaram a disponibilidade e acessibilidade da água limpa. O desenvolvimento de terras em áreas urbanas muda o ciclo da água porque aumenta a quantidade de superfícies impermeáveis, como pavimento e concreto. A água tem dificuldade em se infiltrar nessas superfícies, então muito disso acaba como escoamento. Além disso, essas superfícies impermeáveis podem ficar muito quentes, aumentando a temperatura da água. Além disso, a conversão de terras florestais anteriormente em terras agrícolas muda a maneira como a água se infiltra nessa terra. Às vezes, o escoamento pode realmente aumentar após a conversão de terras em agricultura devido à cobertura reduzida do solo e à semeadura de culturas que podem não ser adequadas para essa terra específica. As terras agrícolas geralmente precisam ser irrigadas; portanto, há uma quantidade crescente de água sendo adicionada a essa terra. Isso pode aumentar as taxas de evapotranspiração e diminuir os níveis de água de águas superficiais e águas subterrâneas próximas. Agora que entendemos como o ciclo da água é um balanço energético, também faz sentido por que certas práticas que aumentam a temperatura podem afetar as mudanças na fase hídrica. As mudanças climáticas e a queima de combustíveis fósseis são um grande influenciador do ciclo da água. Com o aumento das temperaturas globais, a evaporação pode aumentar e alterar os padrões de precipitação. Como resultado do aumento das temperaturas globais, as geleiras também começaram a derreter a taxas mais rápidas. Ao entender como a energia impulsiona essas mudanças de fase e como a água percorre o meio ambiente, podemos aprender a gerenciar a água de maneira mais sustentável.
