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Se o ar quente sobe ...por que é frio nas montanhas e quente no litoral?

Todo mundo sabe que o ar quente sobe. É por isso que balões preenchidos por ar quente funcionam.
Mas todo mundo sabe também que nas montanhas a temperatura é menor do que no litoral, desde que a latitude dos dois lugares seja mais ou menos a mesma. (Não vale, claro, comparar a temperatura de uma praia do sul da Argentina ou do norte do Canadá com a temperatura de uma montanha no nordeste brasileiro!) Afinal, se o ar quente sobe, não deveria ser mais quente nas montanhas do que nas praias? Parece haver um desacordo aí.

Não, não há desacordo nenhum. Apenas falta uma informação importante para colocar as coisas – e as ideias – em seus devidos lugares. E as bombas manuais de encher bolas ou pneus de bicicletas podem ajudar. Quem já usou esse tipo de bomba sabe que quando comprimimos o ar com o pistão (ou êmbolo), a parte da bomba onde se acumula o ar comprimido fica bastante quente. Vamos ver como é isso.
A temperatura de uma substância qualquer está relacionada à energia do movimento de seus constituintes, átomos ou moléculas. Assim, quanto mais intenso for esse movimento – partículas andando de um lado para outro, ao acaso, ou vibrando, ou girando ou tudo isso junto – , maior é a temperatura. Por exemplo, dois gases compostos de uma mesma substância, um mais quente e outro mais frio, a velocidade média das moléculas do gás mais quente é maior do que a velocidade média das moléculas do gás mais frio.
Se quisermos aumentar a velocidade das moléculas de um gás, basta aquecê-lo; se quisermos diminuir, basta esfriá-lo. Evidentemente, uma maneira de fazer isso é colocar esse gás em contato com alguma coisa mais quente ou mais fria e esperar até que ele se aqueça ou se esfrie.
Mas há outra maneira de alterar a temperatura de um gás: por exemplo, com uma bomba de encher bolas e pneus. Quem já encheu pneus ou bolas deve ter percebido que a parte da bomba próxima do bico de saída do ar fica quente. A razão disso é a seguinte. Quanto maior a temperatura, maior a velocidade das moléculas de um gás e, portanto, maior sua energia; quando empurramos o êmbolo da bomba, comprimindo o ar, nós fazemos um trabalho sobre ele e, portanto, aumentamos sua energia, em particular a energia associada ao movimento de suas moléculas ou átomos e, portanto, aumentamos sua temperatura.
Na prática, não basta comprimir apenas uma única vez o ar da bomba, pois embora ele se aqueça, ele, o ar, entrará em equilíbrio térmico com as paredes da bomba e podemos nem perceber o aquecimento. Na prática, a menos que você tenha uma bomba de bicicleta que isole termicamente o ar (acho que isso não existe!) e um termômetro que possa ser colocado dentro da bomba e que envie sinais de rádio para a parte externa (isso não deve ser fácil de conseguir), é necessário comprimir o ar algumas vezes, que é o que fazemos quando enchemos pneus ou bolas. A cada vez que comprimimos o gás, ele se aquece; mas perde calor para as paredes da bomba; comprimimos novamente e ele, novamente, se aquece, mas perde calor para as paredes da bomba, que já estão um pouquinho mais quente. Na terceira bombeada, a coisa se repete e as paredes da bomba se aquecerão ainda mais. Depois de várias bombeadas percebemos que a parede da bomba fica realmente quente.



Em resumo: se comprimimos um gás, ele se aquece e a temperatura que ele atingirá depende apenas da temperatura inicial e da redução de seu volume. A necessidade de repetir as “bombadas” é apenas de ordem prática, pois teríamos muita dificuldade para medir sua temperatura depois de uma única bombeada.
O efeito contrário também existe: se uma amostra de ar se expande, empurrando alguma coisa para ocupar um volume maior, ele se esfriará. Neste caso, é o ar que está fazendo um trabalho sobre alguma coisa e, consequentemente, sua energia diminui. Como a temperatura depende da energia de suas moléculas, ela também diminui. Vamos ver um exemplo hipotético. Suponha que você tenha comprimido o ar usando uma bomba de bicicleta, mas deixando o bico de saída tampado. Ele se aquecerá. Agora, espere bastante tempo para que ele volte a entrar em equilíbrio térmico com a atmosfera, segurando o êmbolo e mantendo o ar comprimido. Depois que o ar dentro da bomba voltar à temperatura ambiente, solte o êmbolo, deixando o ar se expandir: ele se esfriará. Mas não vá correndo para fazer essa experiência, pois se não houver uma repetição múltipla, como ocorre quando comprimimos várias vezes o ar até aquecer a bomba, você terá muita dificuldade para perceber que o ar se esfriou. Mas não se frustre: há bons exemplos na atmosfera terrestre.

Ar quente, ar frio

Resumo: se um gás se expande contra uma força externa, ele se esfria; se é comprimido por uma força externa, se aquece. Isso quando o gás não tem tempo de entrar em equilíbrio térmico com o ambiente ou com qualquer outra coisa com a qual esteja em contato.
A explicação de por que isso acontece, repetindo, é porque ao comprimirmos um gás, fazemos um trabalho sobre ele e, consequentemente, sua energia aumenta. Como a parte da energia correspondente ao movimento de suas moléculas é o que dá o efeito de temperatura, ele se aquecerá. Inversamente, se um gás comprimido se expande e faz um trabalho mecânico sobre algum outro sistema, ele se esfria.
Agora, veja o que pode ocorrer com uma grande massa de ar quando ela sobe uma montanha, por causa do vento, saindo de uma região com maior pressão atmosférica e indo para uma região mais alta e, portanto, com menor pressão atmosférica. Essa massa de ar, desde que seja bem grande, não terá tempo de entrar em equilíbrio térmico com o restante da atmosfera. Então, ele irá se expandir, fazer um trabalho sobre o restante da atmosfera e, portanto, se resfriará.



Essa expansão de uma massa de ar ao subir uma montanha é uma das razões para que seja mais frio em lugares altos do que em lugares baixo. Se não houvesse vento algum na Terra, então ocorreria o contrário: o ar quente, menos denso, subiria e o frio se concentraria nas partes mais baixas.
Os fenômenos meteorológicos são bastante complexos. Além desse efeito de resfriamento do ar na medida em que se expande ao subir uma montanha, há muito mais coisa que ocorre na atmosfera e que afeta a temperatura: evaporação e condensação da água, tanto aquela que está no ar, como a que está no solo e nas plantas; insolação; o tipo de solo que recebe essa insolação; grandes movimentos de ar quente ou frio sobre a Terra e, possivelmente, muitos eteceteras. Mas, de qualquer forma, o efeito descrito aqui é um deles: a expansão de uma massa de ar ao subir montanha acima faz com que ela se esfrie.
O inverso também ocorre. Quando uma massa de ar desce montanha abaixo, ela é comprimida e, portanto, se aquece. A combinação dos dois efeitos – esfriar ao subir uma montanha e aquecer, ao descer – explica alguns desertos extremamente secos, como o deserto de Atacama, no norte do Chile.

Se você quiser fazer contas ...

Se você quiser fazer algumas contas, aqui vai uma dica. A equação de estado para um gás ideal, PV=nRT , descreve a relação entre as variáveis que caracterizam um gás, e é válida, com boa aproximação, para a atmosfera terrestre. O processo de resfriamento ou aquecimento do ar por causa do trabalho feito sobre ele ou do trabalho que ele faz contra uma força externa –a pressão atmosférica, por exemplo –, sem que haja tempo para que o gás entre em equilíbrio térmico com o restante do ambiente, é uma transformação na qual o produto da pressão pelo volume elevado à uma potência, a qual depende do gás, permanece inalterada. No caso da atmosfera, essa relação é

 Note a diferença entre a equação de estado, que vale em qualquer situação, com esta última: ela diz que

permanece inalterado quando o ar sofre uma transformação sem que haja troca de calor com algum outro sistema, como o material da bomba de bicicleta ou o restante da atmosfera.


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Você encontra mais coisas do mesmo tipo no livro Um pouco da Física do Cotidiano. Para ver o índice, clique aqui
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