Formas de energía
Transformaciones de energía y las leyes de la termodinámica
Presupuestos de energía físicos
Presupuestos de energía fija
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Un presupuesto de energía describe las formas en que la energía se transforma de un estado a otro dentro de un sistema definido, incluido un análisis de entradas, salidas y cambios en las cantidades almacenadas. Los presupuestos energéticos ecológicos se centran en el uso y las transformaciones de la energía en la biosfera o sus componentes.
La radiación electromagnética solar es la principal entrada de energía a la Tierra. Esta fuente externa de energía ayuda a calentar el planeta, evaporar el agua, hacer circular la atmósfera y los océanos y sostener los procesos ecológicos. En última instancia, toda la energía solar absorbida por la Tierra se re-irradia al espacio, como radiación electromagnética de una longitud de onda más larga que la que se absorbió originalmente. La Tierra mantiene un equilibrio energético prácticamente perfecto entre entradas y salidas de energía electromagnética.
Los ecosistemas de la Tierra dependen de la radiación solar como fuente externa de energía difusa que puede ser utilizada por autótrofos fotosintéticos, como las plantas verdes, para sintetizar moléculas orgánicas simples como azúcares a partir de moléculas inorgánicas como el dióxido de carbono y el agua. Las plantas utilizan la energía fija de estos compuestos orgánicos simples, además de nutrientes inorgánicos, para sintetizar una enorme diversidad de productos bioquímicos a través de diversas reacciones metabólicas. Las plantas utilizan estos productos bioquímicos y la energía que contienen para lograr su crecimiento y reproducción. Además, la bio-masa vegetal es utilizada directa o indirectamente como alimento por un enorme número de organismos heterótrofos que son incapaces de fijar su propia energía. Estos organismos incluyen herbívoros que comen plantas, carnívoros que comen animales y detritívoros que se alimentan de biomasa muerta.
En todo el mundo, el uso de energía solar para este propósito ecológico es relativamente pequeño, representando mucho menos del 1% de la cantidad recibida en la superficie de la Tierra. Aunque esta es una parte cuantitativamente trivial del presupuesto energético de la Tierra, es claramente muy importante cualitativamente, porque esta es la energía absorbida y biológicamente fija que subsidia todos los procesos ecológicos.
Formas de energía
La energía se define como la capacidad, o capacidad potencial, de un cuerpo o sistema para hacer trabajo. La energía se puede medir en varias unidades, como la caloría, definida como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua pura en un grado Celsius. (Tenga en cuenta que la caloría del dietista es equivalente a mil de estas calorías , o una kilocaloría.) El Joule (J) es otra unidad de energía. Un julio se define generalmente como la cantidad de trabajo necesario para levantar un peso de 1 kg por 10 cm en la superficie de la Tierra. Equivale a 0,24 calorías. Además, una caloría (pequeña caloría) es igual a aproximadamente 4.184 J.
La energía puede existir en varios estados, todos los cuales son intercambiables a través de varios tipos de transformaciones físico-químicas. Las categorías básicas de energía son: electromagnética, cinética y potencial, pero cada uno de estos también puede existir en varios estados.
La energía electromagnética es la energía de fotones, o cuantos de energía que tienen propiedades tanto de partículas como de ondas, y que viajan a través del vacío del espacio a una velocidad constante de aproximadamente 3× 108 metros por segundo (es decir, a la velocidad de la luz). Los componentes de la energía electromagnética se caracterizan sobre la base de rangos de longitud de onda, que ordenados de las longitudes de onda más cortas a más largas se conocen como: gamma, rayos X, ultravioleta, luz o visible, infrarrojo y radio. Todos los cuerpos con una temperatura superior al cero absoluto (es decir, -459°F , o cero grados en la escala Kelvin ) emiten energía electromagnética a una velocidad y calidad espectral que está estrictamente determinada por la temperatura de su superficie. Los cuerpos relativamente calientes tienen tasas de emisión mucho mayores y su radiación está dominada por longitudes de onda más cortas, en comparación con los cuerpos más fríos. El sol tiene una temperatura superficial de aproximadamente 11.000°F (6.093°C). La mayor parte de su radiación se encuentra en el rango de longitud de onda de la luz visible (0,4 a 0,7 æm o micrómetros) y del infrarrojo de onda más corta (0,7 a 2.0 æm), mientras que la Tierra tiene una temperatura superficial de unos 77°F (25°C) y su radiación alcanza su punto máximo en el rango infrarrojo de onda más larga a unos 10 æm.
La energía cinética es la energía del movimiento dinámico, de la cual hay dos tipos básicos, la energía de los cuerpos en movimiento y la de los átomos o moléculas vibrantes. Cuanto más vigorosa sea la vibración, mayor será el contenido de calor.
La energía potencial tiene la capacidad de hacer trabajo, pero debe movilizarse para hacerlo. La energía potencial se presenta en varias formas. La energía potencial química se almacena en los enlaces interatómicos de las moléculas. Esta energía puede ser liberada por las llamadas reacciones exotérmicas, que tienen una liberación neta de energía. Por ejemplo, el calor se libera cuando el azufre químicamente reducido de los minerales sulfurados se oxida en sulfato, y cuando el cloruro de sodio cristalino se disuelve en agua. Todos los productos bioquímicos también almacenan energía potencial, equivalente a 4,6 kilocalorías por gramo de carbohidratos, 4,8 Kcal/g de proteína y 6,0 a 9,0 Kcal/g de grasa.
La energía potencial gravitacional se almacena en masa que se eleva por encima de alguna superficie gravitacionalmente atractiva, como cuando el agua se encuentra por encima de la superficie de los océanos, o cualquier objeto se encuentra por encima de la superficie del suelo. A menos que se obstruya, el agua fluye espontáneamente cuesta abajo y los objetos caen hacia abajo en respuesta a gradientes de energía potencial gravitacional. Otros tipos de energía potencial son algo menos importantes en términos de presupuestos energéticos ecológicos, pero incluyen las energías potenciales de gases comprimidos, gradientes de potencial eléctrico asociados con diferenciales de voltaje y la energía potencial de la materia, que puede ser liberada por reacciones nucleares.
Transformaciones de energía y las leyes de la termodinámica
Como se señaló anteriormente, la energía puede transformarse entre sus diversos estados. La energía electromagnética, por ejemplo, puede ser absorbida por un objeto oscuro y convertida en energía cinética térmica. Esta acción resulta en un aumento de la temperatura del cuerpo absorbente. Como otro ejemplo, la energía potencial gravitacional del agua en lo alto de una meseta puede transformarse en la energía cinética del agua en movimiento y el calor en una cascada, o puede ser movilizada por los humanos para impulsar una turbina y generar energía eléctrica. En tercer lugar, la radiación electromagnética solar puede ser absorbida por la clorofila de las plantas verdes, y parte de la energía absorbida se puede convertir en la energía potencial química de los azúcares, y el resto en calor.
Todas las transformaciones de la energía deben ocurrir de acuerdo con ciertos principios físicos, conocidos como las leyes de la termodinámica. Estas son leyes universales, lo que significa que siempre son verdaderas, independientemente de las circunstancias. La primera ley establece que la energía puede sufrir transformaciones entre sus diversos estados, pero nunca se crea ni se destruye, por lo que el contenido de energía del universo permanece constante. Una consecuencia de esta ley para los presupuestos de energía es que siempre debe haber un equilibrio cero entre las entradas de energía a un sistema, las salidas de energía y cualquier almacenamiento neto dentro del sistema.
La segunda ley de la termodinámica establece que las transformaciones de la energía solo pueden ocurrir espontáneamente bajo condiciones en las que hay un aumento en la entropía del universo. (La entropía está relacionada con la aleatoriedad de las distribuciones de materia y energía). Por ejemplo, la Tierra es irradiada continuamente por radiación solar, en su mayoría de longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. Parte de esta energía se absorbe, lo que calienta la superficie de la Tierra. El planeta se enfría de varias maneras, pero en última instancia, esto se hace irradiando su propia radiación electromagnética al espacio, como radiación infrarroja de onda más larga. La transformación de la radiación solar de onda relativamente corta en la radiación de onda más larga emitida por la Tierra representa una degradación de la calidad de la energía y un aumento de la entropía del universo.
Un corolario o proposición secundaria de la segunda ley de la termodinámica es que las transformaciones de energía nunca pueden ser completamente eficientes, porque parte del contenido inicial de energía debe convertirse en calor para que la entropía pueda aumentarse. En última instancia, esta es la razón por la que no más del 30% del contenido de energía de la gasolina se puede convertir en la energía cinética de un automóvil en movimiento. También es la razón por la que no más del 40% de la energía del carbón puede transformarse en electricidad en una estación de generación moderna. Del mismo modo, hay límites superiores a la eficiencia por la cual las plantas verdes pueden convertir fotosintéticamente la radiación visible en productos bioquímicos, incluso en ecosistemas en los que se optimizan las limitaciones ecológicas relacionadas con los nutrientes, el agua y el espacio.
Curiosamente, las plantas absorben la radiación visible emitida por el sol, y usan esta energía relativamente dispersa para fijar moléculas inorgánicas simples como dióxido de carbono, agua y otros nutrientes en productos bioquímicos muy complejos y densos en energía. Los organismos heterotróficos utilizan los productos bioquímicos de la biomasa vegetal para sintetizar sus propios productos bioquímicos complejos. Localmente, estas diversas síntesis biológicas representan transformaciones de energía que disminuyen sustancialmente la entropía, en lugar de aumentarla. Esto ocurre porque la energía solar relativamente dispersa y los compuestos simples se enfocan en los compuestos bioquímicos complejos de los organismos vivos.
¿Las transformaciones biológicas no obedecen a la segunda ley de la termodinámica? Esta aparente paradoja física de la vida se puede racionalizar con éxito, utilizando la siguiente lógica: La bioconcentración localizada de la entropía negativa puede ocurrir porque hay una entrada constante de energía en el sistema, en forma de radiación solar. Si esta fuente externa de energía se terminara, entonces toda la entropía negativa de los organismos y la materia orgánica se degradaría espontáneamente con bastante rapidez, produciendo calor y moléculas inorgánicas simples, y por lo tanto aumentando la entropía del universo. Esta es la razón por la que la vida y los ecosistemas no pueden sobrevivir sin aportes continuos de energía solar. Por lo tanto, se puede considerar que la biosfera representa una isla localizada, en el espacio y el tiempo, de entropía negativa, alimentada por una fuente de energía externa (solar). Existen análogos físicos a estas circunstancias ecológicas: si se introduce energía externa en el sistema, moléculas de gases relativamente dispersas se pueden concentrar en un recipiente, como ocurre cuando una persona sopla energéticamente para llenar un globo de aire. Eventualmente, sin embargo, el globo explota, los gases se dispersan, la entrada de energía original se convierte en calor y la entropía del universo aumenta.
Presupuestos físicos de energía
Los presupuestos físicos de energía consideran un sistema determinado y definido, y luego analizan las entradas de energía, sus diversas transformaciones y almacenamientos, y las salidas eventuales. Este concepto puede ilustrarse con referencia al presupuesto energético de la Tierra.
La mayor entrada de energía a la Tierra se produce como energía electromagnética solar. En los límites exteriores de la atmósfera de la Tierra, la tasa promedio de entrada de radiación solar es de 2,00 calorías por cm2 por minuto (este flujo se conoce como la constante solar). Aproximadamente la mitad de esta entrada de energía se produce como radiación visible, y la mitad como infrarrojo cercano. Como se señaló anteriormente, la Tierra también emite su propia radiación electromagnética, de nuevo a una velocidad de 2,00 cal / cm2 / min, pero con un espectro que alcanza su punto máximo en el infrarrojo de onda más larga, a unos 10 æm. Debido a que la tasa de entrada de energía es igual a la tasa de salida, no hay almacenamiento neto de energía ni cambios sustanciales a largo plazo en la temperatura de la superficie de la Tierra. Por lo tanto, la Tierra representa un sistema de flujo de energía de suma cero. (En realidad, a lo largo del tiempo geológico ha habido un pequeño almacenamiento de energía, que se produce como una acumulación de biomasa poco compuesta que finalmente se transforma geológicamente en combustibles fósiles. También hay variaciones menores a largo plazo de la superficie de temperatura de la Tierra que representan el cambio climático. Sin embargo, estos representan excepciones cuantitativamente triviales a la declaración anterior sobre la Tierra como un sistema de flujo de energía de suma cero. Aunque la cantidad de energía emitida por la Tierra eventualmente es igual a la cantidad de radiación solar que se absorbe, hay algunas transformaciones ecológicamente importantes que ocurren entre estos dos eventos.
Las formas más importantes por las que la Tierra lidia con sus radiaciones solares incidentales son:
- Un promedio de alrededor del 30% de la energía solar incidente se refleja en el espacio exterior por la atmósfera de la Tierra o su superficie. Este proceso está relacionado con el albedo de la Tierra, que está fuertemente influenciado por el ángulo solar, las cantidades de cobertura de nubes y partículas atmosféricas, y en menor grado por el carácter de la superficie de la Tierra, especialmente los tipos y la cantidad de agua (incluido el hielo) y la cubierta vegetal.
- Aproximadamente el 25% de la energía incidente es absorbida por gases atmosféricos, vapores y partículas, convertida en calor o energía cinética térmica, y luego re-irradiada como radiación infrarroja de longitud de onda más larga.
- Aproximadamente el 45% de la radiación incidente es absorbida en la superficie de la Tierra por materiales vivos y no vivos, y se convierte en energía térmica, aumentando la temperatura de las superficies absorbentes. A largo plazo (es decir, años) e incluso a medio plazo (es decir, días) hay poco o ningún almacenamiento neto de calor. Prácticamente toda la energía absorbida es re-irradiada por la superficie como energía infrarroja de onda larga, con un pico de longitud de onda de aproximadamente 10 æm.
- Parte de la energía térmica de las superficies hace que el agua se evapore de las superficies vegetales y no vivas (véase la entrada sobre evapotranspiración), o que el hielo o la nieve se derritan.
- Debido a la distribución desigual de la energía térmica en la superficie de la Tierra, parte de la radiación absorbida impulsa el transporte de masa, los procesos de distribución, como los vientos, las corrientes de agua y las olas en la superficie de los cuerpos de agua.
- A muy pequeño (con un promedio inferior a 0.1%), pero la parte ecológicamente crítica de la energía solar entrante es absorbida por la clorofila de las plantas, y se utiliza para impulsar la fotosíntesis. Este fotoautotróficos fijación permite que algunos de la energía solar se almacena temporalmente en la energía potencial de los productos bioquímicos, y para servir como la base energética de la vida en la Tierra.
Ciertos gases de la atmósfera terrestre absorben energía infrarroja de onda larga del tipo que irradia la materia calentada en el segundo y tercer mecanismo de disipación (enumerados anteriormente). Esta absorción calienta los gases, que luego se someten a otra re-radiación, emitiendo energía infrarroja de longitud de onda aún más larga en todas las direcciones, incluida la de regreso a la superficie de la Tierra. Los gases radiativamente activos más importantes en la atmósfera son el agua y el dióxido de carbono, pero los gases traza metano, óxido nitroso, ozono y clorofluorocarbonos también son significativos. Este fenómeno, conocido como el efecto invernadero, interfiere significativamente con la velocidad de enfriamiento radiativo de la superficie de la Tierra.
Si no hubiera efecto invernadero, y la atmósfera de la Tierra fuera totalmente transparente a la radiación infrarroja de onda larga, las temperaturas de la superficie promediarían unos 17,6°F (-8 ° C), demasiado frías para que ocurrieran procesos biológicos. Debido a que el efecto invernadero natural mantiene la temperatura media de la superficie de la Tierra unos 60 grados Fahrenheit más caliente que esto, a unos 77°F (25°C), es un factor obviamente importante en la habitabilidad del planeta. Sin embargo, las actividades humanas han dado lugar a un aumento de las concentraciones atmosféricas de algunos de los gases radiativamente activos, y existe la preocupación de que esto podría causar una intensificación del efecto invernadero de la Tierra. Esto podría provocar un calentamiento global, cambios en la distribución de las precipitaciones y otros efectos climáticos, y graves daños ecológicos y socioeconómicos.
Presupuestos de energía fija
Ecological energetics examina las transformaciones de la energía biológica fija dentro de las comunidades y los ecosistemas, en particular, la manera en que la energía biológicamente fija se pasa a través de la red alimentaria.
Por ejemplo, estudios de un bosque natural de robles y pinos en el estado de Nueva York encontraron que la vegetación fija energía solar equivalente a 11.500 kilocalorías por hectárea y año (103 Kcal/ha/año). Sin embargo, la respiración de la planta utilizó 6,5× 103 Kcal/ha/año, de modo que la acumulación neta real de energía en el ecosistema fue de 5.0× 103 Kcal / ha / año. Los diversos tipos de organismos heterotróficos en el bosque utilizaron otros 3,0× 103 Kcal/ha/año para apoyar su respiración, por lo que la red
TÉRMINOS CLAVE
Energía electromagnética, Un tipo de energía que involucra fotones, que tienen propiedades físicas tanto de partículas como de ondas. La energía electromagnética se divide en componentes espectrales, que (ordenados de longitud de onda larga a corta) incluyen radio, infrarrojo, luz visible, ultravioleta y cósmica.
Entropía-La medición de una tendencia hacia el aumento de la aleatoriedad y el trastorno.
la acumulación de biomasa por todos los organismos del ecosistema fue equivalente a 2,0 x 103 Kcal / ha / año.
Lo anterior es un ejemplo de presupuesto de energía fija a nivel de ecosistema. A veces, los ecologistas desarrollan presupuestos de energía a niveles de población, e incluso para individuos. Por ejemplo, dependiendo de las circunstancias y oportunidades ambientales, las plantas o animales individuales pueden optimizar su condición física asignando sus recursos energéticos a diversas actividades, más simplemente, al crecimiento del individuo o a la reproducción.
Sin embargo, los presupuestos de energía biológica suelen ser mucho más complicados. Por ejemplo, una planta puede asignar su energía de diversas maneras a la producción de tallos más largos y más hojas para mejorar su acceso a la luz solar, o podría crecer más y más raíces para aumentar su acceso a los nutrientes del suelo, o más flores y semillas para aumentar la probabilidad de reproducción exitosa. Existen otras posibles estrategias de asignación, incluida una combinación de las anteriores.
Del mismo modo, un oso debe tomar decisiones sobre la asignación de su tiempo y energía. Debe decidir sobre las actividades asociadas con el descanso, ya sea durante el día o la hibernación a largo plazo, la caza de alimentos vegetales o animales, la búsqueda de pareja, el cuidado de los cachorros o simplemente divertirse, como se sabe que hacen los osos salvajes.
Véase también Transferencia de energía; Cadena alimentaria / web.