Segunda Lección. Principios de la termodinámica para explicar la supervivencia de los seres vivos en la Antártida.

Transcripción

1 Capítulo I. Termodinámica y Física de los Fluidos aplicadas a procesos naturales. Tema 1. Las condiciones ambientales y su relación con la supervivencia en la Antártida. Segunda Lección. Principios de la termodinámica para explicar la supervivencia de los seres vivos en la Antártida. 1

2 Equilibrio térmico. Define el método de medida de la temperatura a partir del concepto de equilibrio térmico. Si los subsistemas A y B están en equilibrio térmico. Y los subsistemas A y C también están en equilibrio térmico. Entonces, B, estaría en equilibrio térmico con C, caso de ponerlos en contacto mediante una pared diaterma. 2

3 Equilibrio térmico. 3

4 Principio Cero de la Termodinámica. 4

5 Capacidad calorífica: Capacidad calorífica. Calor necesario para aumentar en 1K la temperatura de un sistema (J/K): Calor específico: C = ( T T i f Calor necesario para aumentar en 1K la temperatura de una unidad de masa de un sistema (J/kg K): c = 1 m Q ) Q ( T i T f ) 5

6 Substancia Calores específicos. c (kj/kgk) Agua (20º) 4.18 Hielo (-10ºC) 2.05 Vapor de Agua (P=cte,T=0ºC) 1.86 Aire (P=cte,T=0ºC) Calores Latentes. Substancia Temp. CF(K) Lf(kJ/kg) Lv(kJ/kg) Agua (L) Agua (v)

7 Proceso de fusión. 7

8 Calor intercambiado (cuantificación). Proceso de calentamiento de una masa, m, de hielo a presión constante, P=1 atm. Estado inicial (-30ºC), final vapor (100ºC): Q = Q LV = mlv SL ml f Q SS = mc s T Q LL = mc L T 8

9 Calor intercambiado (cuantificación). 9

10 Mecanismos de Transmisión del calor. Estructura de los procesos de transmisión del calor. Mecanismos de transmisión del calor Ley de Fourrier Leyes de la Radiación Conductividad Térmica Coeficiente de película Convección Ley de Stefan Ley de Wien Ley de Kirchoff Ley de Newton 10

11 Mecanismos de transmisión del calor. CONDUCCIÓN: Transporte de energía, en forma de calor, por vibración molecular. No hay transporte de materia. CONVECCIÓN: Transporte de energía, asociado al movimiento relativo de partes del sistema en su interior. RADIACIÓN: Transporte de energía, por medio del mecanismo de absorción/emisión de ondas electromagnéticas. 11

12 Conducción del calor: ley de Fourrier, conductividad térmica. Ley de Fourrier: Q t ( T T KA T T 1 2) ( 1 2) Φ = e e 1-Dimensión: T Φ = KA x K- Conductividad térmica.(w/mk). φ-flujo de energía (W). A- área (m 2 ). 12

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14 Convección del calor. El coeficiente de transmisión superficial del calor o coeficiente de película, representa la cantidad de calor intercambiado, por unidad de superficie, entre el material y el fluido ambiente que lo rodea cuando el gradiente de temperaturas es de 1º. Φ = h T = h( T ) s Ta h = Φ ( T T ) s [ Φ] 2 [ ] = W = W m h 2 m K 14

15 Convección libre. 15

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17 Transmisión del calor por convección forzada. En estos casos el proceso dominante es el debido a los gradientes de presión generados sobre el fluido, que provocan el movimiento de éste sobre la superficie de contacto. 17

18 Flujo laminar. Regímenes de convección. Flujo Turbulento. 18

19 R = e [ ρ ] ρ vl µ kg vl kg m c = ( 3 )( )( m) = m s m. s [ µ ] = c kg m. s Número de Reynolds. Lc- longitud característica. (m). ρ- densidad. (kg/m 3 ). v- velocidad. (m/s). µ- viscosidad absoluta. (kg/ms). Re<1 Re>1 [ R e ] = a dim ensional. Fuerzas viscosas dominantes Fuerzas de inercia dominantes 19

20 Número de Nusselt. h- coeficiente de película (W/m 2 K). K- conductividad térmica (W/mK). L- longitud característica (m) Nu = hl K El número de Nusselt es la relación entre el coeficiente de película y la conductividad térmica del fluido por la variable espacial. 20

21 Radiación térmica. Los dos sistemas tienden al equilibrio térmico aunque no haya contacto físico entre ellos. El intercambio de energía se realiza mediante absorción/emisión de ondas electromagnéticas. 21

22 Radiación térmica: cuerpo negro (ley de Stefan-Boltzmann). Ley de Stefan-Boltzmann: Cualquier cuerpo a una temperatura, T, en equilibrio térmico, emite una cantidad de radiación que, por unidad de tiempo, viene determinado por: Φ = εσat 4 Φ- Potencia de radiación emitida (W). ε- Emisividad de la superficie. A- Área del emisor (m 2 ) T- Temperatura de equilibrio del emisor (K). σ- Constante de Stefan-Boltzmann= (W/m 2 K 4 ). Si el cuerpo es perfectamente negro ε=1, en caso de cuerpos grises 0< ε<1. 22

23 Radiación térmica: cuerpo negro (ley de Kirchhoff). Ley de Kirchhoff: Si tenemos dos cuerpos, cada cual emite energía que absorbe el otro y por lo tanto el balance de energía neta intercambiada será: I Neta = Ia I' e = ε σ 1 ( T1 T ) 23

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25 Principio de conservación de la energía: 1 er P pio de la termodinámica. La energía intercambiada por un sistema con el medio exterior, hace aumentar o disminuir la energía interna del mismo. U = Q + W Si no hay cambio de fase, el aumento o perdida de calor se apreciará por la variación de la temperatura del sistema. U = C( T ) 2 T1 Si hay cambio de fase el sistema intercambiará energía sin modificar su temperatura. 25

26 Balance de Energía en el suelo. Sistema: suelo de la Tierra. Entorno: la capa de aire en contacto con el suelo (capa límite atmosférica. Biosfera). 26

27 Flujo de calor latente (H L ). Flujo de calor sensible (H). Flujo radiativo. Radiación neta (R N ). Flujo de calor en el suelo (H G ). Capa de nieve variable. 27

28 Balance de radiación. Radiación de onda corta (directa y difusa). Radiación de onda larga. Albedo. 28

29 Balance de radiación. Radiación global y terrestre. 29

30 Radiación difusa. Balance de radiación. 30

31 Balance distribuido de radiación en las proximidades de la Base Juan Carlos I. 31

32 Flujo térmico del suelo. 32

33 Permafrost como indicador del balance de energía suelo-atmósfera. El registro de la variabilidad de la temperatura del aire es insuficiente para determinar el calor intercambiado suelo-atmósfera. Es necesario medir el balance de energía entre el suelo y la atmósfera. El estudio del régimen térmico en los suelos helados nos permite medir indirectamente el balance de energía. 33

34 Medida del régimen térmico del suelo. Perforaciones. Instalación de sensores. Registros térmicos en superficie. 34

35 Evolución térmica del Sondeo Incinerador ,0 T ( ºC ) 0,0-5, X(t) (m ) -10,0-15,0 Tmin(ºC) Tmax (ºC) mar-02 abr-02 may-02 jun-02 jul-02 ago-02 sep-02 oct-02 35

36 Balance de energía en la superficie terrestre. Variabilidad climática. Efectos observados. Factores desencadenantes. Modelo simplificado. Tierra-entorno. Balance de radiación. Emisión de onda larga. Absorción de onda corta. Efecto invernadero. 36

37 Variabilidad climática: Efectos observados. Efectos observados mediante medidas científicas desde Aumento de 0.5ºC de la temperatura media de la atmósfera. 2.- Glaciares en retroceso. 3.- Aumento del nivel de los Océanos. 4.- Reducción de la capa de hielo Polar. 5.- Reducción del espesor del permafrost. 37

38 Variabilidad climática: Efectos observados. 38

39 Variabilidad climática: Efectos observados. 39

40 Variabilidad climática: Efectos observados. 40

41 Variabilidad climática: Factores desencadenantes. Factores Antrópicos: - Emisión de gases invernadero. - Calentamiento directo por máquinas de combustión. - Deforestación. Desequilibrio en el balance hídrico. Factores Naturales: - Erupciones volcánicas. - Actividad Solar. - Cataclismos. 41

42 Variabilidad climática: Factores desencadenantes. 42

43 Balance de radiación. Absorción de onda corta. Modelo simplificado: Tierra-entorno. 43

44 La Tierra vista por el instrumento VIRTIS de Rosetta a km de distancia. Visión visible. 44

45 Modelo simplificado: Tierra-entorno. Potencia de radiación solar que llega a la tierra: 2 SπR T Potencia de radiación solar reflejada por la tierra: 2 rsπr T R T - radio de la tierra. S- Constante Solar, 1353 W/m 2. r- reflectividad atmosférica. Balance de radiación de onda corta: P a = 2 ( 1 r) SπRT 45

46 Balance de radiación. Emisión de onda larga. Modelo simplificado: Tierra-entorno. Tomamos una temperatura media de la superficie de la tierra de 13 ºC y una temperatura media de su atmósfera de -22º C. La tierra se comporta como un cuerpo gris de emisividad media aproximada de 0.6. Potencia radiada en el rango infrarrojo (onda larga) por la tierra: P R = 2 4 4πRT εσ T st 46

47 La Tierra vista por el instrumento VIRTIS de Rosetta a km de distancia. Visión infrarroja. 47

48 Modelo simplificado. Balance de radiación. Al estar la tierra en equilibrio térmico, se tienen que equilibrar los flujos de energía entrante y saliente. Así la variación de energía interna del sistema es nula. P R = P a ( 1 r ) Sπ RT = 4πRT εσ T st (1 r 4 ) S = εσ 4 T st Ritmo de ganancia o pérdida de energía 237 W/m 2 48

49 Modelo simplificado. Otras fuente de Fuente energía. Contribución (W/m 2 ) Contribución (%) RadioIsótopos Combustión (era industrial) Fenómenos disipativos (mareas) Contribución insignificante en el balance de energía! 49

50 Modelo simplificado. Temperatura de equilibrio. T st = (1 r ) S 4εσ 1 4 La temperatura de equilibrio aumenta si: r, <<disminuye o si ε<< disminuye. La reflectividad, r, y la emisividad, ε, son funciones directas de los gases que componen la atmósfera, una variación de esta composición afectaría a sus valores y a la temperatura de equilibrio del planeta. 50

51 Efecto invernadero I. Gases más abundantes en la atmósfera. C + Q O 2 CO 2 Consumo energético medio por persona y año: 3500 Kg. de carbón, 2000 m 3 de gas natural y 4000 l de petróleo. EEUU consume el 33% del total con sólo un 5% de la población mundial. 51

52 Efecto invernadero II. Gases menos abundantes en la atmósfera. CH 4 - su concentración se duplicará en 250 años por descomposición orgánica. Al fundirse el permafrost se libera metano retenido. NO - - Abonos nitrogenados, fuego y desertización. CFC- Disolventes, sprays, circuitos de refrigeración. 52

53 Efecto invernadero: evolución de la concentración de CO 2 en la atmósfera. Medidas realizadas a partir de muestras de aire atrapadas en hielo glaciar en la Antártida. Desde 1750 hasta 1990 se produjo un aumento del 25% en concentración de CO 2 atmosférico. 53

54 Registros de variabilidad climática. 54

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56 Fenómenos catastróficos asociados a la variabilidad climática. Fragmentación de la plataforma de hielo Larsen, año

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