A densidade do ar, ρ (em grego: rô), mais corretamente denominada massa específica do ar,Será mantida a denominação densidade ao longo do texto no lugar do termo exato massa específica. é a massa por unidade de volume da Atmosfera da Terra.
A densidade do ar é uma importante variável na dinâmica da atmosfera, o aquecimento e resfriamento do ar alteram a sua densidade isso provoca o deslocamento do ar com a formação de brisas marítimas, ventos e a própria circulação atmosférica. A densidade do ar, assim como a pressão do ar, diminui com o aumento da altitude. Também sofre alterações com a variação da temperatura, umidade ou composição do ar seco.A massa específica é considerada sobre uma parcela de ar (em inglês) na altitude avaliada, de acordo com a composição nessa altitude. A ISA (Atmosfera Padrão Internacional), considera que ao nível do mar e a 15 °C o ar tem uma densidade de cerca de 1,225 kg/m3 (0,001225 g/cm3, 0,0023769 slugs/ft3).
Em diversos ramos da ciência a propriedade é utilizada em pesquisa, ciência aplicada e tecnologia. Em muitos equipamentos e processos a densidade do ar influi no desempenho, em outros é alterada em relação a densidade atmosférica para sua utilização, um exemplo é a pressurização do ar para uso em cilindro de mergulho no mergulho autônomo em profundidades menores.
Fenômenos atmosféricos
O aquecimento e resfriamento do ar alteram a sua densidade, este quando aquecido diminui de densidade e tende a subir (como o "ar"Em um balão de ar quente os gases quentes dentro do balão são uma mistura de gases de combustão e do ar que o maçarico admite em excesso na mistura quente em um balão o eleva); e quando resfriado aumenta de densidade e tende a descer (como o arUma superfície fria provoca a condensação da umidade do ar circundante que aparece como uma névoa branca acompanhando a coluna de ar frio descendente 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: pelo calor recebido do sol durante o dia e o calor perdido para o espaço especialmente nas regiões polares, esse calor é transferido principalmente pela (ou para) a superfície terrestre, aqui consideradas massas de terra ou de água como os oceanos, mares e lagos e em menor proporção absorvido como radiação diretamente pelo ar. pela transferência de umidade pelo (ou para) o ar atmosférico que devido a grande quantidade de calor fornecido (ou retirado) pela condensação (ou evaporação) da água provoca alterações significativas nos fenômenos meteorológicos. 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,parcela de ar (em inglês) 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:
onde:
velocidade da parcela de ar variação da velocidade da parcela de ar variação do tempo densidade do ar gradiente de pressão efeito do gradiente de pressão constante gravitacional vetor unitário espacial vertical efeito da gravidade força de fricção por unidade de massa
Note que na equação acima os termos tem unidade de aceleração. Na equação acima a densidade do ar é parte do cálculo da parcela de força do gradiente de pressão.
Umidade (vapor d'água) notar a diferença de grafia utilizada 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. ExemplificandoCálculos realizados de acordo com a referência citada 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.
E importante notar que o acréscimo do vapor d'água no ar (tornando o ar úmido) reduz a densidade do ar, o que pode parecer inicialmente contra-intuitivo. Isso ocorre porque a massa molar da água (aproximadamente 18 g/mol) é menor que a massa molar do ar secoComo o ar seco é uma mistura de gases, a sua massa molar é a massa molar ponderada dos seus componentes (aproximadamente 29 g/mol). Para qualquer gás, a uma dada temperatura e pressão, o número de moléculas presente é constante para um dado volume (veja Lei de Avogadro). Assim, quando as moléculas de água (vapor d'água) são adicionados a um determinado volume de ar, as moléculas de ar seco devem diminuir no mesmo número, para evitar o aumento da pressão ou da temperatura. Por isso, a massa por unidade de volume do gás (a sua densidade) diminui.
Compressibilidade
O ar é compressível assim como gases, líquidos e sólidos, todos são compressíveis em maior ou menor extensão, sendo a compressibilidade do ar altaComo também ocorre com substâncias e suas misturas quando no estado gasoso. 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 escoamentoOutro valor utilizado para definir quando pode-se tratar um escoamento como incompressível é dado por um terço do número de Mach, no caso do ar é de 120 m.s-1., 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.
Altitude
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 aeronáuticaShelquist,R (2009) Equations - Air Density and Density Altitude e astronáuticaEditor Jursa, Adolph S., (1985) Handbook of Geophysiscs and the Space Environment 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
Pesquisa e ciência aplicada
A densidade do ar é uma propriedade utilizada em diversos ramos da ciência como aeronáutica;Olson, Wayne M. (2000) AFFTC-TIH-99-01, Aircraft Performance FlightICAO, Manual of the ICAO Standard Atmosphere (extended to 80 kilometres (262 500 feet)), Doc 7488-CD, Third Edition, 1993, ISBN 92-9194-004-6.Grigorie, T.L., Dinca, L., Corcau J-I. and Grigorie, O. (2010) Aircrafts’ Altitude Measurement Using Pressure Information:Barometric Altitude and Density AltitudeAnderson, John David. (1989) Introduction to flight, Third Edition, ISBN 0-07-001641-0COSPAR International Reference Atmosphere - 2012 - Models of the Earth’s Upper Atmosphere, 2012 análise gravimétrica;A., Picard, R.S., Davis, M., Gläser and K., Fujii (CIPM-2007) Revised formula for the density of moist air a indústria de ar condicionado;S. Herrmann, H.-J. Kretzschmar, and D.P. Gatley (2009), ASHRAE RP-1485 Final ReportMaekawa, S. & Toledo, F. (2001), Sustainable climate control for historic buildings in hot and humid regions - The 18th Conference on Passive and Low Energy Architecture, Florianópolis – Brazil. a pesquisa atmosférica e meteorologia;F.R. Martins, R.A. Guarnieri e E.B. Pereira, (2007) O aproveitamento da energia eólica (The wind energy resource).Andrade, R.G., Sediyama, G.C., Batistella, M., Victoria, D.C., da Paz, A.R., Lima, E.P., Nogueira, S.F. (2009) Mapeamento de parâmetros biofísicos e da evapotranspiração no Pantanal usando técnicas de sensoriamento remotoMarshall,John and Plumb,R. Alan (2008), Atmosphere, ocean, and climate dynamics: an introductory text ISBN 978-0-12-558691-7. a engenharia agrícola em sua modelagem e monitoramento de Transferências Solo-Vegetação-Atmosfera (SVAT);Pollacco, J. A., and B. P. Mohanty (2012), Uncertainties of Water Fluxes in Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer Models: Inverting Surface Soil Moisture and Evapotranspiration Retrieved from Remote Sensing, Vadose Zone Journal, 11(3), doi:10.2136/vzj2011.0167.Shin, Y., B. P. Mohanty, and A.V.M. Ines (2013), Estimating Effective Soil Hydraulic Properties Using Spatially Distributed Soil Moisture and Evapotranspiration, Vadose Zone Journal, 12(3), doi:10.2136/vzj2012.0094.Saito, H., J. Simunek, and B. P. Mohanty (2006), Numerical Analysis of Coupled Water, Vapor, and Heat Transport in the Vadose Zone, Vadose Zone J. 5: 784-800. e a comunidade de engenharia que se ocupa com o ar comprimidoPerry, R.H. and Chilton, C.H., eds., Chemical Engineers’ Handbook, 5th ed., McGraw-Hill, 1973. 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.
Tecnologia 170px|thumb|left|alt=Um pistão se movimenta para cima e para baixo na camara cilíndrica de compressão; um tubo em vermelho a esquerda alimenta a camera com ar quando o pistão desce e a válvula de admissão abre; o pistão então sobe e durante a compressão descarrega o ar comprimido no tubo de descarga em azul na direita; o pistão volta a descer e a válvula de descarga fecha deixando a camara de compressão pronta para receber mais ar pela admissão; o ciclo se repete indefinidamente.|Compressão por pistãoEsquema simplificado de um pistão de compressor recíproco; o ar atmosférico é admitido na tubulação da esquerda (em vermelho), o ar aprisionado na camera de compressão é comprimido saindo na tubulação da direita (em azul); durante o ciclo as válvulas se abrem e fecham alternadamente controlando a admissão e compressão do ar; o ciclo se repete.