Las leyes termodinámicas en el cambio climático
La energía resulta un término de uso rutinario en nuestro lenguaje diario, y a menudo se emplea con poco o nulo conocimiento de lo que implica, de las leyes físicas, químicas y biológicas que la rigen y, por ende, del impacto en el planeta por el mal uso que de ella hacemos diariamente con el único afán de resolver nuestras necesidades inmediatas; esto se traduce en problemas a mediano y largo plaos, como el calentamiento global! un efecto que nos ata"e a todos# $n esta contribución tocaremos algunos aspectos de los conceptos de energía calórica y de la aplicación de las dos primeras leyes de la termodinámica en el tema del cambio climático# %uando la gente habla cotidianamente del cambio climático se re&ere a la energía generada por la actividad antropógena como el elemento central del problema# 'in embargo, la comprensión y su posible solución son altamente complejas# ( continuación haremos un breve análisis de lo que implican algunos conceptos acerca de la energía y de las implicaciones que conllevan las dos primeras leyes de la termodinámica dentro de los procesos climáticos# $nergía )una palabra común* 'e dice que la energía y la materia son inseparables, ya que es difícil describir la una sin la otra# La energía es la capacidad de producir un trabajo y el trabajo se hace cuando un objeto se mueve a través de una distancia, lo cual ocurre en todas las escalas incluso en el plano molecular# +ay varios tipos de energía! el calor, la lu, la electricidad y la energía química son las formas más comunes# La energía involucrada en el movimiento de los objetos se llama energía cinética, como la corriente de agua en una cascada o una leona que persigue a una gacela# $n contraste, la energía potencial es la que tiene la materia debido a su posición de referencia; por ejemplo! el agua detrás de un dique tiene energía potencial en virtud de su posición elevada; a escala molecular un electrón que se ha movido a una posición alejada del núcleo incrementa su energía potencial debido a la distancia aumentada entre el electrón y el núcleo# $stados de la materia ependiendo de la cantidad de energía presente, la materia se encuentra en tres estados! sólida, líquida y gaseosa# La naturalea física de la materia se modi&ca cuando ocurre un cambio en la cantidad de energía cinética que contienen sus
partículas moleculares, pero la naturalea química de la materia y el género de reacciones químicas que e-perimentará permanecen iguales# .or ejemplo, el vapor de agua, el agua líquida y el hielo, tienen la misma composición química, pero di&eren en el arreglo y la actividad de sus moléculas# La cantidad de energía cinética que tienen las moléculas determina qué tan rápido se mueven# $n los sólidos, las partículas moleculares tienen una energía cinética peque"a y vibran muy cerca una de otra; en los líquidos, las partículas tienen más energía cinética que los sólidos y, en los gases, es aún mayor que en los líquidos# /odas las modi&caciones que ocurren en la naturalea física de una sustancia son debidas a cambios de energía y la energía se agrega o se elimina en forma de calor# %uando dos formas de materia tienen temperaturas diferentes, la energía calórica se transmitirá de la de mayor temperatura a la temperatura más baja# e ahí que, por ejemplo, las corrientes cálidas de los trópicos 0uyan hacia las regiones polares# La temperatura del objeto más frío aumenta mientras disminuye la del más caliente# $ste fenómeno se conoce como transferencia de calor sensible# %uando la energía calórica se usa para cambiar el estado de la materia de sólido a líquido, se re&ere a su punto de fusión, o si el cambio es de líquido a gas se denomina punto de ebullición, el calor se trans&ere pero la temperatura de la materia no cambia# $sto se llama una transferencia de calor latente# $ste efecto se e-perimenta cuando el agua de la piel se evapora, ya que el cuerpo proporciona el calor necesario para convertir el agua líquida en vapor de agua y en consecuencia el cuerpo se refresca al perder calor# 1a# y 2a# leyes de la termodinámica La energía e-iste en distintas formas y es posible convertir una forma de energía en otra# 'in embargo, la cantidad total de energía permanece constante# La primera ley de la termo3dinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de un estado a otro# esde la perspectiva humana, algunas formas de energía son más útiles que otras# (ctualmente hay un e-tenso uso de la energía eléctrica, pero la presencia de energía eléctrica disponible en la naturalea es muy peque"a 4un ejemplo de ésta son los relámpagos5; por consiguiente, es necesario considerar otras fuentes de energía que puedan transformarse en electricidad# (l cambiar la energía de una forma a otra, parte de ella se pierde puesto que no se usa para producir un trabajo# 6sta es la segunda ley! la energía que no puede usarse para realiar un trabajo se llama entropía# 7tra manera de describir esta ley es! cuando la energía se convierte de una forma a otra, aumenta la entropía# 8na forma alterna de percibir la idea de entropía es
que ésta es una medida de desorden y que la cantidad de desorden 4entropía5 por lo general aumenta cuando se llevan a cabo conversiones de energía# (sí entonces, el grado de desorden de los seres vivos se puede medir de acuerdo con la cantidad de calor que liberan a sus ambientes# $s importante resaltar que cuando la energía se convierte de una forma a otra, no hay una pérdida total de energía, sino una pérdida parcial de ella# .or ejemplo, el calor del carbón ardiente que se usa para calentar el agua y generar el vapor que se desvía a las turbinas que generan electricidad# $n cada paso del proceso se pierde una parte de energía la cual se libera en forma de calor al planeta# .or consiguiente, la cantidad de energía eléctrica que viene de la planta generadora es mucho menor que la cantidad total de energía química presente en el carbón que se quemó# $n el universo, la energía continuamente está siendo convertida de una forma a otra# Las estrellas transforman la energía nuclear en calor y lu# Los animales procesan la energía potencial química del alimento en energía cinética que les permite moverse# Las plantas entrampan la energía de la lu del sol para metaboliarla como energía de enlace químico de moléculas de aúcar; en cada uno de estos casos se disipa una proporción de calor hacia el ambiente# $l proceso en el que los organismos liberan la energía del enlace químico del alimento se conoce como respiración celular# esde el punto de vista de la energía, es comparable al proceso de la combustión, que consiste en quemar combustible para obtener calor, lu o alguna otra forma de energía útil para el hombre# La e&ciencia de la respiración celular es relativamente alta! alrededor de 9: por ciento de la energía contenida en el alimento es liberada en procesos metabólicos# $l resto se disipa como calor al ecosistema# 8nas energías más útiles que otras .ara el hombre algunas formas de energía, como la eléctrica se consideran de calidad o útiles porque se usan fácilmente para realiar una gran variedad de acciones prácticas# 7tras formas, como el calor presente en el agua del océano, poseen una calidad, hasta el momento, poco útil porque no sirven para propósitos inmediatos para las actividades cotidianas# (unque la cantidad total de calor en este depósito es mucho mayor que la cantidad total de energía eléctrica en el mundo, puede hacerse poco trabajo dado que no se han desarrollado mecanismos tecnológicos para transformarla# .or consiguiente, no es tan valiosa, económicamente# La raón de que el calor del océano sea de poco valor se relaciona con la escasa diferencia de temperatura entre dos fuentes de calor# %uando dos objetos di&eren en temperatura, el calor 0uirá del objeto más caliente al más frío#
ejemplo, el combustible fósil de las plantas 4diesel, petróleo o gasolina5 aporta grandes cantidades de energía# ebido a que la temperatura media del océano no es tan alta respecto a la de los continentes y, por si fuera poco, resulta difícil encontrar otro objeto de grandes proporciones que tenga una temperatura más baja que el mar, resulta muy complicado emplear el gran calor contenido en el océano para producir un trabajo útil para nosotros# $-cedente liberado = contaminación 8na consecuencia infortunada de la conversión de energía es, sin duda, la contaminación, ya que el calor perdido, procedente de las conversiones de energía, por un número cada ve mayor de máquinas desarrolladas por los humanos, se convierte en un contaminante# .or ejemplo, el uso de los frenos para detener un automóvil produce contaminación, al igual que las emisiones de las plantas de generación de energía eléctrica o la combustión de petróleo# $stos ejemplos ilustran el efecto de la segunda ley de la termodinámica# 'i bien, no se trata de que cada individuo en la /ierra use menos energía para que hubiese menos calor residual, así como otras formas de contaminación generadas durante la conversión de energía# >o hay que perder de vista que la cantidad de energía en el universo es limitada y sólo una peque"a porción es de calidad dada la tecnología actual disponible# $s entonces tarea de todos nosotros buscar el equilibrio entre la generación de energía e&ciente, el consumo y el calor residual que se traduce en contaminación# $ste equilibrio se re&ere a la temperatura, el aire respirable, la dosis adecuada de gases que componen la atmósfera, la presencia del agua, al desarrollo de la fotosíntesis y a todos los factores que hacen posible la e-istencia de seres vivos en el planeta# 'obre todo si consideramos la totalidad del planeta como un organismo gigantesco cuya &siología y metabolismo responden a la interrelación dinámica entre los seres vivos y su entorno físico, tal y como lo se"ala la /eoría de ?aia propuesta por el químico inglés @# LovelocA, es decir, como un sistema altamente complejo y no como un conjunto de procesos químicos, geológicos, físicos o biológicos aislados entre sí# $n consecuencia, si el problema de calentamiento global se enfoca de forma sistémica los resultados darán sus frutos en el corto, mediano y largo plaos, mientras que, visualiando los problemas de forma independiente, sólo paliaremos el problema# $&ciencia apro-imada de B de e&ciencia algunos sistemas de conversión
<áquina de motor de reacción DD .lanta de generación de vapor 9G (<
LA TERMODINÁMICA EN EL MEDIO AMBIENTE La termodinámica siempre va a existir en el medio ambiente por!e nosotros mismos somos parte de ella "a !e !no como ser #!mano$ n!estro c!erpo %enera calor " ener%&a$ como tambi'n la masa( )C*mo podemos demostrar todo lo relacionado a n!estro c!erpo con la termodinámica+ Lo podemos demostrar con la ener%&a$ El est!dio de la trans,erencia de calor en seres #!manos$ está motivado en %ran medida por las importantes implicaciones !e tiene sobre la vida cotidiana " la masa( La termodinámica en el medio ambiente$ )!' !iere decir esto+ La resp!esta más ,ácil a esta pre%!nta es !e la termodinámica siempre va a tener relaci*n directa de !na ! otra ,orma con c!al!ier cosa ! ob-eto en el medio ambiente$ "a !e esta ciencia p!ede ser aplicada o est!diada en todos los aspectos de la vida. !na caracter&stica de la termodinámica como la temperat!ra la podemos relacionar con el clima la diversidad biol*%ica el e,ecto invernadero la inversi*n t'rmica " la sal!d de los seres vivos el medio ambiente( )C*mo es esto+ /n e-emplo la temperat!ra podemos encontrar el clima !e se p!ede relacionar completamente con todo lo !e existe en el medio ambiente aplicándolo a nosotros encontramos !e si en el clima amanece de ,orma cal!rosa n!estro c!erpo expira más calor a trav's del s!dor " el olor !e expedimos en al%!nas veces$ este es !n %ran e-emplo por !e tambi'n lo podemos relacionar del medio ambiente con n!estra ropa !e estemos !tili0ando en ese momento$ "a !e tienen di,erente masa como al%!nas son más del%adas ! otras son más li%eras( Los e-emplos p!es son los más com!nes !e sabemos entre la #!manidad$ si la ropa es color blanca nos sentimos más ,rescos como si el color es ne%ro tendemos a sentir más calor " en este caso se nota m!c#o más c!ando !samos este tipo de ropa$ as& !e solamente con la temperat!ra estamos relacionándolo de 1 ,ormas con la termodinámica$ !na es el clima$ la otra es n!estro c!erpo " la tercera el tipo de ropa !e !semos( Otro claro e-emplo tenemos$ en la l&nea de temperat!ra2 sal!d. esto se relaciona en los di,erentes tipos de temperat!ra !e #ace modi,icar el metabolismo en los seres #!manos$ como e-emplos podemos citar el clima ,rio !e #ace !e com3nmente nos
en,ermemos de c*mo %ripa$ tos$ escalo,r&o$ " como tambi'n c!ando #a" calor en demas&a p!ede a,ectar a n!estro c!erpo ocasionándole diarrea$ mareo$ dolor de cabe0a$ vomito( Otros e-emplos com!nes relacionados en el aspecto termodinámica con medio ambiente son los di,erentes tipos de ener%&as conocidos$ como todos sabemos los tipos de ener%&a se %eneran a trav's del medio ambiente$ como lo es la ener%&a %eot'rmica !e p!ede obtenerse mediante el aprovec#amiento del calor del interior de la tierra$ estos se dan en las a%!as termales "a !e estas prod!cen vapor en la s!per,icie( Otro tipo de ener%&a !e podemos obtener del medio ambiente es la ener%&a solar$ donde aprovec#amos los ra"os del sol$ " #acemos !e a trav's de !nas celdas ,otovoltaicas %enere la ener%&a( 4i%!iendo con la misma l&nea de ener%&as a trav's del medio ambiente encontramos tambi'n la ener%&a e*lica donde se capta por medio del viento( En la ener%&a interna se p!ede tomar !n e-emplo los alimentos por s! contenido ener%'tico relacionándolo con la ener%&a solar " los n!trientes en las plantas "a !e en los or%anismos crea s!s rec!rsos ener%'ticos( /n e-emplo más sobre la relaci*n !e #a" en en el medio ambiente en la ciencia de la termodinámica se basa en la tan ,amos&sima la primera le" de la termodinámica. basándonos en esta le" podemos ver !n claro e-emplo en los ni5os !e siempre tienen !na ener%&a bastante alta " considerable$ " !e con,orme el ni5o pasa el tiempo o e-erce el proceso de la vida nacimiento2reprod!cci*n2m!erte es c!ando vemos !e al ,inal de la vida #!mana llamada tercera edad "a no contamos con la ener%&a !e sol&amos tener de ni5os "a !e n!estro metabolismo !e tenemos #a llevado ese ciclo de enve-ecimiento donde "a no p!ede otor%arnos mas ener%&as de la c!al !sar$ " en consec!encia eso dismin!"e n!estras actividades como personas( 4e p!ede #acer menci*n del nacimiento$ crecimiento " m!erte de c!al!ier or%anismo$ al mismo tiempo !e de la evol!ci*n de los seres vivos$ exponiendo de ,orma somera la c!esti*n de la prod!cci*n de entrop&a ne%ativa " s! coexistencia con el incremento del desorden$ se p!ede tambi'n tratar c!al!ier e-emplo de contaminaci*n del medio( En el c!erpo #!mano al reali0ar !n traba-o el or%anismo de s! ener%&a interna dismin!"e as& como s! temperat!ra esto se debe a !e la ener%&a interna no se manten%a mediante !n ,l!-o de calor debido a la relaci*n de temperat!ras en el c!erpo #!mano " el l!%ar !e est' la ener%&a !e ese enc!entra en la tierra " los di,erentes componentes como la atmos,era$ los s!elos$ las plantas " los mares esto tiene relaci*n por la ener%&a !e lle%a a la tierra( /nos de los e-emplos !e en la vida diaria " !e se da en la nat!rale0a6 El disipador de calor del procesador de !na comp!tadora$ el sistema de en,riamiento del re,ri%erador de !na casa$ el por!' se calienta !n a!tom*vil$ proceso de !na planta termoel'ctrica( Tambi'n de !no de los procedimientos termodinámicos !e podemos relacio nar con el medio ambiente es el procedo reversible e irreversible donde esta ,orma a,ecta a todo lo vivo " no vivo$ este proceso para la termodinámica es m!" valioso "a !e se p!ede considerar la ,!ente principal #acia la ed!caci*n ambiental preoc!pada por los
a,ectamientos al clima$ a la atmos,era " a todo el planeta en s&$ "a !e de los procesos termodinámicos al%!nos son m!" destr!ctivos o peli%rosos para el medio ambiente " en consec!encia p!eden a,ectar a nosotros los seres #!manos " a los animales( /no de los e-emplos más !niversales o llamándole nosotros el más importante para la #!manidad o la vida en la tierra trata sobre de la le" de la conservaci*n de la ener%&a esta le" p!es la podemos tomar como e-emplo relacionado con la termodinámica "a !e de la ener%&a !e transmiten los ra"os del sol #acia la tierra se reparte toda esa ener%&a sobre todo lo !e tiene vida en la tierra tal e-emplo como las plantas$ los animales$ el mar$ las selvas$ los arreci,es " el primordial !e somos nosotros$ como esto nos a,ectar&a a nosotros p!es basándonos en !e si no #!biera ener%&a por parte del sol no #abr&a vida "a !e esto es !na tra"ectoria " e!ilibrio ,!ndamental en la vida(
$nfoque termodinámico de la $nergía $ólica .osted on mayo 14, 2015
ada la importancia que reviste para el futuro energético de la humanidad las fuentes renovables, entre las que se destacan la solar y la eólica 4ver Jig#15# /ambién originada en la lu solar, resulta necesaria la realiación de una profunda y detallada caracteriación de cada una de ellas desde el punto de vista termodinámico# 'e alcana así con estos análisis una valoración mas cercana a la realidad de las posibilidades de cada fuente se energía, de sus ventajas y limitaciones# 8n caso en el que esto se pone de mani&esto con particular evidencia es el de la energía eólica#
'i se piensa ahora en un aerogenerador, se advierte al instante que este dispositivo opera, termodinámicamente, a un nivel má-imo de gradación de la energía# .or otra parte, dada su disponibilidad en algunos puntos de la super&cie de La /ierra en cantidades apreciables, y a partir de lo se"alado anteriormente, resulta evidente que la energía eólica presenta la muy atractiva característica de que se trata de la posibilidad de producir energía eléctrica en cantidades apreciables en el balance energético de un país# Kesulta indudable que la energía eólica ha resultado muy adecuada para la producción de energía eléctrica, lo que la equipara en este aspecto a las fuentes las convencionales y la nuclear# .arecería que con relación a la energía del viento todo está resuelto y todo se resuelve, pero no es así# La producción de electricidad a partir de generadores eólicos esta sometida a toda una serie de problemas, algunos los cuales tienen su origen en el carácter aleatorio de la fuente# 8n histograma vientos, luego de ser apro-imado por una distribución gaussiana 4Jig# 15, tiene asociado un determinado nivel de incertidumbre que es lo mismo que decir de desinformación#
Jig# 2# istribución gaussiana# 8n concepto propio de la teoría de la información, no de la termodinámica clásica, el de entropía de una distribución, caracteria adecuadamente esta situación y contribuye a dar, sin dudas, una visión objetiva y realista del viento como fuente de energía# La desviación media cuadrática de la gaussiana resulta clave en esta determinación# tienen su origen en el carácter aleatorio de la fuente# 8n histograma vientos, luego de ser apro-imado por una distribución gaussiana 4Jig# 15, tiene asociado un determinado nivel de incertidumbre que es lo mismo que decir de desinformación# Un recordatorio necesario
La 'egunda Ley de la /ermodinámica, sin dudas, uno de los descubrimientos cientí&cos más importantes del siglo II, subyace en la esencia misma de los procesos naturales# .or otra parte, una de las conclusiones más importantes que se derivan de su enunciado, constituidos por dos tesis independientes, especí&camente de la primera de ellas, la referida a los procesos reversibles, es la e-istencia de diferentes calidades o gradaciones de energía# 8na aplicación directa de la clasi&cación de Mrillouin a las fuentes de energía renovables más conocidas, arroja el siguiente resultado!
1# $nergía eólica y solar fotovoltaica 4mecánica y eléctrica5; 2# +idrógeno 4química5 a partir de la lu solar; N# %alentamiento de diversos tipos 4calor5# Los grupos son de&nidos en términos de calidad de la energía y, en este conte-to, el mecanismo de acción de la Ley se mani&esta del siguiente modo! los procesos de conversión de una forma de energía superior a otra de inferior calidad transcurren espontáneamente, que es lo mismo que decir sin compensación# .or el contrario, las transformaciones energéticas en sentido inverso solo son posibles al precio de una compensación# $l aerogenerador tiene lugar una convención de energía mecánica en eléctrica# $l viento tiene un intrínseco carácter aleatorio# $ste carácter entrópico de la fuente eólica afecta apreciablemente la &abilidad operacional del sistema# .or otra parte la incertidumbre ligada a esta característica del régimen de vientos puede ser descrita, mediante el concepto de entropía diferencial# La entropía diferencial, por el contrario, se enmarca en la teoría de la información, y como establece imitrev, es una medida de la indeterminación media de una magnitud aleatoria# $n una primera apro-imación, esta idea puede ser entendida del modo siguiente! sea la salida del sistema de tal grado de aleatoriedad, que sean posibles . resultados de salida# 'e dice entonces que la indeterminación viene dada por la e-presión logarítmica! + = log .
415
Ejemplo: sean 2G bolitas de aspecto e-terior idéntico, 'e conoce, sin
embargo, que una de las bolitas es ligeramente más pesada que el resto del conjunto# e lo que se trata es de determinar el número mínimo de pesadas que es necesario realiar en una balana de comparación, para detectar la bolita más pesada# Solución:
e acuerdo con la formula 415, evaluada para . = 2G, la indeterminación inicial es! + = log 2G# .or otra parte, la incertidumbre eliminada en cada pesada es logN, dado que tres son los resultados posibles de una pesada de comparación# e modo que el numero mínimo de pesadas viene dada por!
y, por tanto, se tiene n = N# >o resulta difícil comprobar que, efectivamente, agrupando inicialmente las 2G bolitas en tres grupos de nueve bolitas cada uno, el problema se resuelve en tres pesadas# ?eneraliando ahora el problema tratado anteriormente, se puede concluir que se trata de una apro-imación sucesiva a la eliminación total de la incertidumbre inicial# $n cada etapa, mediante la información se iba eliminando incertidumbre# 'e trata de lo que se conoce como principio >eguentropico de la información# 7bviamente, neguentropia, en este conte-to, es sinónimo de nivel de conocimiento sobre el sistema#
