Densidade do ar

O aquecimento e resfriamento do ar alteram a sua densidade, este quando aquecido diminui de densidade e tende a subir (como o "ar"[nota 3] quente em um balão o eleva); e quando resfriado aumenta de densidade e tende a descer (como o ar[nota 4] de um refrigerador que ao ser aberto escoa para baixo). Esses comportamentos acoplados provocam a formação de correntes de ar como brisas marítimas, ventos e a própria circulação atmosférica. Deve-se salientar que o aquecimento e resfriamento do ar atmosférico e consequentemente as alterações de densidade do ar, são na sua maior parte provocados por duas fontes: Como exemplo do emprego da densidade do ar na descrição meteorológica da atmosfera terrestre podemos citar a sua utilização na dinâmica da atmosfera, no movimento de parcelas de ar,[nota 5] forma científica de caracterizar o fenômeno vento e em decorrência também a circulação atmosférica. A variação na quantidade de movimento de uma parcela de ar ocorre devido a ação de três forças segundo a equação do movimento abaixo:

A contribuição da umidade (vapor d'água) na densidade do ar é pequena quando comparada com o ar seco. A umidade do ar na troposfera pode variar rapidamente sob influência das condições meteorológicas e isso aliado ao fato de serem necessárias medições adicionais para a sua quantificação, em alguns modelos da atmosfera e cálculos ela é desconsiderada. Exemplificando[nota 7] consideremos um caso ao nível do mar com temperatura de 27 °C e com umidade de 80% para o ar seco temos uma densidade de 1,176073 kg.m-3, se considerarmos o ar úmido a densidade cai para o valor de 1,1635405 kg.m-3, sendo a variação de 1,1449%, que pode ser desconsiderada em um cálculo aproximado. Contudo quando é necessário maior rigor e exatidão ou quando a umidade é uma variável importante para o estudo ou processo avaliado sua contribuição é considerada, duas das formas de quantificar a umidade no ar é o uso do higrômetro, e das temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido, com o cálculo da umidade presente usando tabelas ou equações psicométricas.

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O ar é compressível assim como gases, líquidos e sólidos, todos são compressíveis em maior ou menor extensão, sendo a compressibilidade do ar alta[nota 9] se comparada com líquidos e sólidos. A variação da densidade do ar com o aumento da altitude sob ação da gravidade é um exemplo da compressibilidade do ar, assim como a expansão do ar dentro dos pulmões de um mergulhador que, ao subir à superfície, é obrigado a expelir o volume excedente para não sofrer embolia. Na dinâmica dos fluidos são estudados o comportamento e propriedades de escoamento dos fluidos como o ar e sua densidade. Em estudos nos quais a velocidade do ar é menor que 100 m.s-1 é possível considerar o ar incompressível sem grande perda de precisão nos cálculos de escoamento[nota 10], contudo essa simplificação é uma idealização, não existem no mundo real fluidos incompressíveis. O ar ao ser comprimido, em uma compressão adiabática, além da densidade aumenta sua pressão e temperatura; assim como diminui de temperatura ao se expandir adiabáticamente, disso decorre o resfriamento do ar com a altitude ao se elevar do nível do mar à tropopausa. Na troposfera terrestre o decréscimo de temperatura é aproximadamente de -6,5 °C por quilômetro de altitude acima do nível do mar até a tropopausa.

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Com o aumento da altitude o ar diminui de densidade tornando-se mais rarefeito, isso ocorre devido a gravidade da Terra exercer sua força sempre no sentido do centro do planeta, mantendo o ar próximo ao nível do mar em maior concentração. A variação da densidade com a altitude é importante para alguns ramos da ciência como aeronáutica e astronáutica tendo sido elaborados métodos de cálculo e tabelas para permitir a padronização dos resultados das variáveis atmosféricas como temperatura, pressão, densidade e composição, a exemplo da Atmosfera Internacional Padrão e suas extensões utilizadas pela aviação civil e da NRLMSISE-00 utilizada para estudos sobre satélites, como nos cálculos de arrasto aerodinâmico de satélites em órbitas baixas. A figura Densidade do Ar exemplifica os valores de diversos pontos e altitudes para a densidade do ar

A densidade do ar é uma propriedade utilizada em diversos ramos da ciência como aeronáutica; análise gravimétrica; a indústria de ar condicionado; a pesquisa atmosférica e meteorologia; a engenharia agrícola em sua modelagem e monitoramento de Transferências Solo-Vegetação-Atmosfera (SVAT); e a comunidade de engenharia que se ocupa com o ar comprimido como utilidade na indústria, nos processos de aquecimento, secagem e resfriamento na indústria, a exemplo de torres de resfriamento, processos de vácuo e alto vácuo, processos de alta pressão, processos de combustão a gás ou a óleos leves como turbinas que alimentam aeronaves e geradores ou fornos de aquecimento, e ar condicionado para uso em minas profundas ou para cápsulas espaciais.

Diversos equipamentos e processos em varias áreas da atividade humana são dependentes das variações da densidade do ar, como exemplo na aeronáutica a potência de um motor de combustão interna e a sustentação de aeronaves são dependentes dessa variável, ambas diminuem quando a densidade do ar diminui como ocorre em grandes altitudes limitando a altitude de operação de aeronaves. Outros equipamentos e processos tem como função direta ou indireta alterar a densidade do ar de maneira a obter o resultado desejado na sua aplicação. Nesses equipamentos e processos a densidade do ar é alterada em relação a densidade atmosférica local, podendo o ar ser comprimido (aumento de sua densidade), como no ar comprimido utilizado para uma pistola de pintura; ou pode ser rarefeito (diminuição da sua densidade), como nos sistemas de embalagem à vácuo usados para preservar as características de produtos alimentícios à exemplo do café. Nesses processos são utilizados equipamentos que aumentam a densidade do ar como os compressores (ver figura: Compressão por pistão), e para equipamentos que diminuem a densidade do ar podemos citar as bombas de vácuo. Cada equipamento e processo tem suas características de projeto definidas de acordo com especificações calculadas com base em propriedades do ar como a densidade, temperatura, pressão e outras variáveis necessárias para o correto funcionamento do processo ou equipamento.

Dependendo dos instrumentos de medição, utilização, área de conhecimento e rigor necessário do resultado, são utilizados diferentes critérios de cálculo e conjuntos de equações para o cálculo do valor da densidade do ar. Neste tópico são exemplificados alguns cálculos com as principais variáveis envolvidas. Os valores apresentados são valores usuais, embora diferentes valores possam ser encontrados em outras referências, dependendo dos critérios de cálculo utilizados. Além disso deve-se ter atenção ao fato de o ar ser uma mistura de gases e os cálculos sempre simplificam, em maior ou menor grau, as propriedades da mistura e os valores de composição de acordo com os critérios de cálculo utilizados.