Umidade relativa: o que é e como se determina?

16 de fevereiro, 2014 às 12:34 | Postado em Gás e vapor, Mudanças de estado da matéria, Termologia, termodinâmica

Prof. Lang

Um ex aluno seu relatou que assistiu em sala de aula uma medida da umidade relativa. Poderia explicar como fez?

Fui informado que um radialista em PoA retrucou ao meteorologista que havia afirmado ser 100% a umidade relativa: Então respiramos água pura! Apesar de não ter claro o que é umidade relativa, sei que o radialista disse uma asneira. Poderia esclarecer o que é afinal esta tal de umidade relativa? Agradeço antecipadamente.

Vou iniciar com o conceito de UMIDADE RELATIVA (UR).

O ar contem em alguma quantidade, entre outras substâncias, água no estado de vapor. Entretanto se a quantidade de vapor no ar for aumentada, ocorrerá a SATURAÇÃO, isto é, a uma determinada temperatura existe um percentual MÁXIMO de moléculas de água no ar em estado de vapor. Ultrapassado este percentual inicia-se a CONDENSAÇÃO do vapor de água.

Na temperatura ambiente a SATURAÇÃO do ar ocorre com um percentual baixo de água no ar, seja em número de moléculas, seja em massa. O gráfico abaixo mostra como o percentual de água no ar SATURADO de vapor de água (a 1 atm) varia com a temperatura. Por exemplo, a 30°C a saturação ocorre quando em, número de moléculas, a proporção de água é apenas 4% (ou um pouco menos de 3% em massa). Quando o ambiente se encontra a 10°C este percentuais caem para 1,3% ou 0,7%, mostrando que o ar não comporta muito vapor de água em temperaturas inclusive de climas quentes. Note que para que se possa ter até 10% de água no ar o ambiente deve estar a cerca de 45° C. Vide Umidade relativa versus umidade absoluta.

Usualmente o ar ambiente possui menos vapor do que o máximo possível. É apenas em situações extremas que encontramos de fato ar saturado de vapor de água, por exemplo, quando nos encontramos no meio da neblina. Neste caso extremo já existe no ar pequeníssimas gotas de água líquida, caracterizando a CONDENSAÇÃO ou LIQUEFAÇÂO do vapor que atingiu a SATURAÇÃO. Estas pequeníssimas gotas produzem ESPALHAMENTO (scattering), reemissão da luz branca, conferindo a cor esbranquiçada característica da neblina.

A UMIDADE RELATIVA (UR) é definida como  a razão entre o percentual (em número de moléculas) de água no ar pelo percentual que corresponde à SATURAÇÃO naquela temperatura do ambiente. Por exemplo, a 30°C pode existir no máximo 4% de moléculas de água no estado de vapor no ar; caso efetivamente exista apenas 3%, então a UR sera 3 dividido por 4, portanto, 0,75 ou 75%.

Desta forma, se o dito do radialista (por ti referido) em um dia em  que UR=100% – “Então respiramos água pura!” – deve ser corrigido para “Há 4% de água no ar” no caso de a temperatura ser 30°C.

Existem diversas formas de se determinar a UR. Abordarei aqui um método que aprendi com o meu saudoso Prof. Ernest Sporket em 1967 no Colégio Sinodal em São Leopoldo no RS.

O método requer uma caneca de metal (sem revestimento), de alumínio ou de aço brilhante  com água, um termômetro e um pouco de gelo picado. Inicialmente se determina a temperatura ambiente. Depois, muito lentamente, se adiciona um pouco de gelo picado à agua na caneca, homogeneizando-se sempre a água. O termômetro dentro da caneca permite medir a temperatura ali dentro e, portanto da parede fria da caneca.

Ao se baixar lentamente a temperatura da caneca, e sendo a superfície brilhante, é fácil observar quando a parede externa da caneca fica opaca, identificando a CONDENSAÇÃO do vapor do ar sobre ela. A temperatura na qual se inicia a CONDENSAÇÃO é denominada de PONTO DE ORVALHO. Portanto o objetivo do experimento é determinar: 1- A temperatura ambiente. 2 – O PONTO DE ORVALHO.

Com estas duas temperaturas pode-se calcular a UR relativa como explicarei a seguir. Para tanto vou me valer das curvas que expressam a PRESSÃO DE VAPOR SATURADO (máxima pressão parcial de vapor possível) da água em função da temperatura, ou seja, as curvas que são obtidas ou experimentalmente ou a partir da “Equação de Clausius-Clapeyron“. Aliás, foi a partir desta lei que eu obtive as curvas anteriores para a máxima porcentagem de vapor de água no ar conforme acima.

A UR também pode ser expressa operacionalmente como a razão entre a pressão de vapor saturado da água na temperatura do PONTO DE ORVALHO pela pressão de vapor saturado da água na temperatura ambiente.

Ao determinar recentemente em PoA a UR, quando a temperatura ambiente era 32,5°C, obtive para o PONTO DE ORVALHO a temperatura de 24,0°C. À temperatura ambiente corresponde em um dos gráficos abaixo a pressão de vapor saturado de cerca de 48 miliatm e ao PONTO ORVALHO corresponde cerca de 29,5 miliatm.

Assim sendo a UR é 29,5 miliatm por 48 miliatm, portanto, 0,61 ou 61%.

Esta forma de obter a UR a partir das pressões encontradas em tabelas ou gráficos é fiel com o que aprendi com o Prof. Sporket em 1967.

A partir da “Lei de Clausius-Clapeyron” obtive a expressão abaixo para se calcular a UR apenas com as duas temperaturas na escala kelvin. A utilização da expressão resulta em 0,63 ou 63%.

A equação acima é a equação 12 no artigo disponível em The Relationship between Relative Humidity and the Dewpoint Temperature in Moist Air: A Simple Conversion and Applications.

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