cap 2 - Propriedades e ciclo hidrológico

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Propriedades da água e o 
ciclo hidrológico 
Os conceitos fundamentais do ciclo hidrológico. 
 água é uma substância com características incomuns. É a substância mais 
presente na superfície do planeta Terra, cobrindo mais de 70% do globo. O 
corpo humano é composto por água mais ou menos na mesma proporção. Já 
um tomate é composto por mais de 90 % de água, assim como muitos outros 
alimentos. Todas as formas de vida necessitam da água para sobreviver. A água é a 
única substância na Terra naturalmente presente nas formas líquida, sólida e gasosa. A 
mesma quantidade de água está presente na Terra atualmente como no tempo em que 
os dinossauros habitavam o planeta, há milhões de anos atrás. A busca de vida em 
outros planetas está fortemente relacionada a busca de indícios da presença de água. 
 
Propriedades físicas e químicas da água 
As propriedades físicas e químicas da água são bastante incomuns e estas características 
condicionam seu comportamento no meio ambiente. Entre as propriedades da água 
estão sua massa específica, color específico, calor latente de fusão e vaporização, 
viscosidade, propriedades moleculares e inter-moleculares. A existência da água na 
Terra em todas as três fases (vapor, líquido e sólido) é um dos aspectos que torna o 
planeta único. 
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 ρ, e nas unidades do SI é dada em Kg.m-3. O peso 
específico é simbolizado pela letra grega γ dado em unidades de N.m-3. As duas 
variáveis estão relacionadas pela segunda lei de Newton, usando a aceleração da 
gravidade (g): 
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g⋅= ργ 
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 líquida a diferentes temperaturas pode ser estimada pela 
equação abaixo (Dingman, 2002): 
68,198,3019549,01000 −⋅−= Tρ 
onde T é a temperatura em oC e ρ é a massa específica em Kg.m-3. 
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 (∆H) por uma massa M de uma substância enquanto sua 
temperatura aumenta ou diminui por um valor de ∆T. 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. 
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. 
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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: 
T⋅−= 002361,0501,2λ 
onde λ é o calor latente de vaporização (MJ.Kg-1) e T é a temperatura em oC. 
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. 
 
A hidrosfera 
O termo hidrosfera refere-se a toda a água do mundo, que é estimada em 
aproximadamente 1,4 . 1015 metros cúbicos. Cerca de 97 % da água do mundo está nos 
oceanos. Dos 3% restantes, a metade (1,5% do total) está armazenada na forma de 
geleiras ou bancadas de gelo nas calotas polares. A água doce de rios, lagos e aqüíferos 
(reservatórios de água no subsolo) corresponde a menos de 1% do total. 
Em valores totais a água doce existente na Terra e a água que atinge a superfície dos 
continentes na forma de chuva é suficiente para atender todas as necessidades 
humanas. Entretanto, grandes problemas surgem com a grande variabilidade temporal 
e espacial da disponibilidade de água. A América do Sul é, de longe, o continente com a 
maior disponibilidade de água, porém a precipitação que atinge nosso continente é 
altamente variável, apresentando na Amazônia altíssimas taxas de precipitação 
enquanto o deserto de Atacama é conhecido como o lugar mais seco do mundo. 
 
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Tabela 1. 1: A água na Terra (Gleick, 2000). 
 Percentual água do planeta (%) Percentual da água doce (%) 
Oceanos/água salgada 97 
Gelo permanente 1,7 69 
Água subterrânea 0,76 30 
Lagos 0,007 0,26 
Umidade do solo 0,001 0,05 
Água atmosférica 0,001 0,04 
Banhados 0,0008 0,03 
Rios 0,0002 0,006 
Biota 0,0001 0,003 
 
No Brasil a disponibilidade de água é grande, porém existem regiões em que há 
crescentes conflitos em função da quantidade de água, como na região semi-árida do 
Nordeste. Mesmo no Rio Grande do Sul, onde a disponibilidade de água pode ser 
considerada alta, ocorrem anos secos em que a vazão de alguns rios não é suficiente 
para atender as demandas para abastecimento da população e para irrigação. 
 
O ciclo hidrológico 
O ciclo hidrológico é o conceito central da hidrologia. O ciclo hidrológico está 
ilustrado na Figura 1. 1. A energia do sol resulta no aquecimento do ar, do solo e da 
água superficial e resulta na evaporação da água e no movimento das massas de ar. O 
vapor de ar é transportado pelo ar e pode condensar no ar formando nuvens. Em 
circunstâncias específicas o vapor do ar condensado nas nuvens pode voltar à 
superfície da
Terra na forma de precipitação. A evaporação dos oceanos é a maior 
fonte de vapor para a atmosfera e para a posterior precipitação, mas a evaporação de 
água dos solos, dos rios e lagos e a transpiração da vegetação também contribuem. A 
precipitação que atinge a superfície pode infiltrar no solo ou 
escoar por sobre o solo até atingir um curso d’água. A água que 
infiltra umedece o solo, alimenta os aqüíferos e cria o fluxo de 
água subterrânea. 
O ciclo hidrológico é fechado se considerado em escala global. 
Em escala regional podem existir alguns sub-ciclos. Por exemplo, a água precipitada 
que está escoando em um rio pode evaporar, condensar e novamente precipitar antes 
de retornar ao oceano. 
A energia que 
movimenta o ciclo 
hidrológico é 
fornecida pelo sol. 
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Figura 1. 1: O ciclo hidrológico. 
A água também sofre alterações de qualidade ao longo das diferentes fases do ciclo 
hidrológico. A água salgada do mar é transformada em água doce pelo processo de 
evaporação. A água doce que infiltra no solo dissolve os sais aí encontrados e a água 
que escoa pelos rios carrega estes sais para os oceanos, bem como um grande número 
de outras substâncias dissolvidas e em suspensão. 
 
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. 
Considere que a temperatura inicial é de 20 oC, e que não existem perdas de 
calor na água da piscina.