Forme di energia
trasformazioni di Energia e le leggi della termodinamica
energia Fisica bilanci
Budget fisso di energia
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Un bilancio energetico descrive i modi in cui l’energia viene trasformata da uno stato all’altro all’interno di alcune definito sistema, compresa un’analisi di ingressi, uscite, e le variazioni delle quantità memorizzati. I bilanci energetici ecologici si concentrano sull’uso e sulle trasformazioni dell’energia nella biosfera o nei suoi componenti.
La radiazione elettromagnetica solare è il principale input di energia sulla Terra. Questa fonte esterna di energia aiuta a riscaldare il pianeta, evaporare l’acqua, far circolare l’atmosfera e gli oceani e sostenere i processi ecologici. In definitiva, tutta l’energia solare assorbita dalla Terra viene nuovamente irradiata nello spazio, come radiazione elettromagnetica di una lunghezza d’onda più lunga di quella originariamente assorbita. Terra mantiene un equilibrio energetico praticamente perfetto tra ingressi e uscite di energia elettromagnetica.
Gli ecosistemi terrestri dipendono dalla radiazione solare come fonte esterna di energia diffusa che può essere utilizzata dagli autotrofi fotosintetici, come le piante verdi, per sintetizzare molecole organiche semplici come gli zuccheri da molecole inorganiche come l’anidride carbonica e l’acqua. Le piante utilizzano l’energia fissa di questi semplici composti organici, oltre a nutrienti inorganici, per sintetizzare un’enorme diversità di sostanze biochimiche attraverso varie reazioni metaboliche. Le piante utilizzano queste sostanze biochimiche e l’energia che contengono per realizzare la loro crescita e riproduzione. Inoltre, la bio-massa vegetale viene utilizzata direttamente o indirettamente come alimento dall’enorme numero di organismi eterotrofi incapaci di fissare la propria energia. Questi organismi includono erbivori che mangiano piante, carnivori che mangiano animali e detritivori che si nutrono di biomassa morta.
In tutto il mondo, l’uso dell’energia solare per questo scopo ecologico è relativamente piccolo, rappresentando molto meno dell ‘ 1% della quantità ricevuta sulla superficie terrestre. Sebbene questa sia una parte quantitativamente banale del bilancio energetico della Terra, è chiaramente molto importante qualitativamente, perché questa è l’energia assorbita e biologicamente fissa che sovvenziona tutti i processi ecologici.
Forme di energia
L’energia è definita come la capacità, o capacità potenziale, di un corpo o di un sistema di fare lavoro. L’energia può essere misurata in varie unità, come la caloria, definita come la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di un grammo di acqua pura di un grado Celsius. (Si noti che la caloria del dietologo è equivalente a mille di queste calorie, o una kilocaloria.) Il Joule (J) è un’altra unità di energia. Un joule è generalmente definito come la quantità di lavoro necessaria per sollevare un peso di 1 kg per 10 cm sulla superficie della Terra. È equivalente a 0,24 calorie. Inoltre, una caloria (piccola caloria) è pari a circa 4.184 J.
L’energia può esistere in vari stati, tutti intercambiabili attraverso vari tipi di trasformazioni fisico/chimiche. Le categorie di base di energia sono: elettromagnetico, cinetico e potenziale, ma ognuno di questi può anche esistere in vari stati.
L’energia elettromagnetica è l’energia dei fotoni, o quanti di energia che hanno proprietà sia delle particelle che delle onde, e che viaggiano attraverso il vuoto dello spazio ad una velocità costante di circa 3× 108 metri al secondo (cioè alla velocità della luce). I componenti di energia elettromagnetica sono caratterizzati sulla base di intervalli di lunghezza d’onda, che ordinati dal più breve a lunghezze d’onda più lunghe sono noti come: gamma, raggi x, ultravioletti, luce o visibile, infrarossi, e radio. Tutti i corpi con una temperatura maggiore dello zero assoluto (cioè -459°F , o zero gradi sulla scala Kelvin ) emettono energia elettromagnetica ad una velocità e qualità spettrale che è strettamente determinata dalla loro temperatura superficiale. I corpi relativamente caldi hanno tassi di emissione molto più grandi e la loro radiazione è dominata da lunghezze d’onda più corte, rispetto ai corpi più freddi. Il sole ha una temperatura superficiale di circa 11.000 ° F (6.093°C). La maggior parte della sua radiazione è nella gamma di lunghezze d’onda della luce visibile (da 0,4 a 0,7 æm o micrometri) e dell’infrarosso a onde più corte (da 0,7 a 2.0 æm), mentre la Terra ha una temperatura superficiale di circa 77 ° F (25 ° C) e i suoi picchi di radiazione nell’intervallo infrarosso a onde più lunghe a circa 10 æm.
L’energia cinetica è l’energia del movimento dinamico, di cui esistono due tipi fondamentali, l’energia dei corpi in movimento e quella degli atomi o molecole vibranti. Più tardi è anche noto come energia termica, e più vigorosa è la vibrazione, maggiore è il contenuto di calore.
L’energia potenziale ha la capacità di funzionare, ma deve essere mobilitata per farlo. L’energia potenziale si presenta in varie forme. L’energia potenziale chimica è immagazzinata nei legami interatomici delle molecole. Questa energia può essere liberata dalle cosiddette reazioni esotermiche, che hanno un rilascio netto di energia. Ad esempio, il calore viene rilasciato quando lo zolfo chimicamente ridotto dei minerali di solfuro viene ossidato in solfato e quando il cloruro di sodio cristallino viene sciolto in acqua. Tutte le sostanze biochimiche immagazzinano anche energia potenziale, equivalente a 4,6 kilocalorie per grammo di carboidrati, 4,8 Kcal/g di proteine e da 6,0 a 9,0 Kcal/g di grassi.
L’energia potenziale gravitazionale è immagazzinata in una massa elevata sopra una superficie gravitazionalmente attraente, come quando l’acqua si verifica sopra la superficie degli oceani o qualsiasi oggetto si verifica sopra la superficie del suolo. A meno che non sia ostruita, l’acqua scorre spontaneamente in discesa e gli oggetti cadono verso il basso in risposta a gradienti di energia potenziale gravitazionale. Altri tipi di energia potenziale sono un po ‘ meno importanti in termini di budget energetici ecologici, ma includono le energie potenziali dei gas compressi, i gradienti di potenziale elettrico associati ai differenziali di tensione e l’energia potenziale della materia, che può essere rilasciata dalle reazioni nucleari.
Trasformazioni energetiche e leggi della termodinamica
Come notato in precedenza, l’energia può essere trasformata tra i suoi vari stati. L’energia elettromagnetica, ad esempio, può essere assorbita da un oggetto scuro e convertita in energia cinetica termica. Questa azione si traduce in un aumento della temperatura del corpo assorbente. Come altro esempio, l’energia potenziale gravitazionale dell’acqua alta su un altopiano può essere trasformata nell’energia cinetica dell’acqua in movimento e del calore in una cascata, oppure può essere mobilitata dagli esseri umani per guidare una turbina e generare energia elettrica. In terzo luogo, la radiazione elettromagnetica solare può essere assorbita dalla clorofilla delle piante verdi e parte dell’energia assorbita può essere convertita nell’energia potenziale chimica degli zuccheri e il resto convertito in calore.
Tutte le trasformazioni di energia devono avvenire secondo determinati principi fisici, noti come le leggi della termodinamica. Queste sono leggi universali; il che significa che sono sempre vere, indipendentemente dalle circostanze. La prima legge afferma che l’energia può subire trasformazioni tra i suoi vari stati, ma non viene mai creata né distrutta—quindi il contenuto energetico dell’universo rimane costante. Una conseguenza di questa legge per i bilanci energetici è che ci deve sempre essere un equilibrio zero tra gli input energetici di un sistema, le uscite energetiche e qualsiasi accumulo netto all’interno del sistema.
La seconda legge della termodinamica afferma che le trasformazioni di energia possono avvenire spontaneamente solo in condizioni in cui vi è un aumento dell’entropia dell’universo. (L’entropia è correlata alla casualità delle distribuzioni di materia ed energia). Ad esempio, la Terra è continuamente irradiata dalla radiazione solare, principalmente di lunghezze d’onda visibili e del vicino infrarosso. Parte di questa energia viene assorbita, che riscalda la superficie della Terra. Il pianeta si raffredda in vari modi, ma alla fine questo viene fatto irradiando la propria radiazione elettromagnetica nello spazio, come radiazione infrarossa a onde più lunghe. La trasformazione della radiazione solare ad onde relativamente corte nella radiazione ad onde più lunghe emessa dalla Terra rappresenta un degrado della qualità dell’energia e un aumento dell’entropia dell’universo.
Un corollario, o proposizione secondaria della seconda legge della termodinamica è che le trasformazioni di energia non possono mai essere completamente efficienti, perché parte del contenuto iniziale di energia deve essere convertito in calore in modo che l’entropia possa essere aumentata. In definitiva, questo è il motivo per cui non più di circa il 30% del contenuto energetico della benzina può essere convertito nell’energia cinetica di un’automobile in movimento. È anche il motivo per cui non più del 40% circa dell’energia del carbone può essere trasformata in elettricità in una moderna centrale di generazione. Allo stesso modo, ci sono limiti superiori all’efficienza con cui le piante verdi possono convertire fotosinteticamente le radiazioni visibili in sostanze biochimiche, anche in ecosistemi in cui i vincoli ecologici relativi a nutrienti, acqua e spazio sono ottimizzati.
È interessante notare che le piante assorbono le radiazioni visibili emesse dal sole e utilizzano questa energia relativamente dispersa per fissare semplici molecole inorganiche come anidride carbonica, acqua e altri nutrienti in sostanze biochimiche molto complesse e densi di energia. Gli organismi eterotrofi utilizzano quindi le sostanze biochimiche della biomassa vegetale per sintetizzare le proprie sostanze biochimiche complesse. Localmente, queste varie sintesi biologiche rappresentano trasformazioni energetiche che riducono sostanzialmente l’entropia, piuttosto che aumentarla. Ciò si verifica perché l’energia solare relativamente dispersa e i composti semplici sono focalizzati nei complessi biochimici degli organismi viventi.
Le trasformazioni biologiche non obbediscono alla seconda legge della termodinamica? Questo apparente paradosso fisico della vita può essere razionalizzato con successo, usando la seguente logica: La bio-concentrazione localizzata dell’entropia negativa può verificarsi perché c’è un ingresso costante di energia nel sistema, sotto forma di radiazione solare. Se questa fonte esterna di energia fosse terminata, allora tutta l’entropia negativa degli organismi e della materia organica sarebbe piuttosto rapidamente degradata spontaneamente, producendo calore e semplici molecole inorganiche, e aumentando così l’entropia dell’universo. Questo è il motivo per cui la vita e gli ecosistemi non possono sopravvivere senza continui input di energia solare. Pertanto, la biosfera può essere considerata come un’isola localizzata, nello spazio e nel tempo, di entropia negativa, alimentata da una fonte di energia esterna (solare). Ci sono analoghi fisici a queste circostanze ecologiche – se l’energia esterna viene immessa nel sistema, molecole di gas relativamente disperse possono essere concentrate in un contenitore, come accade quando una persona soffia energicamente per riempire un palloncino con aria. Alla fine, tuttavia, il palloncino si apre, i gas si disperdono nuovamente, l’input di energia originale viene convertito in calore e l’entropia dell’universo aumenta.
Bilanci energetici fisici
Bilanci energetici fisici considerano un particolare, definito sistema, e quindi analizzare gli input di energia, le sue varie trasformazioni e depositi, e le eventuali uscite. Questo concetto può essere illustrato facendo riferimento al bilancio energetico della Terra.
Il principale input di energia sulla Terra si verifica come energia elettromagnetica solare. Ai limiti esterni dell’atmosfera terrestre, il tasso medio di ingresso della radiazione solare è di 2,00 calorie per cm2 al minuto (questo flusso è noto come costante solare). Circa la metà di questo input di energia si verifica come radiazione visibile e metà come vicino infrarosso. Come notato in precedenza, la Terra emette anche la propria radiazione elettromagnetica, sempre ad una velocità di 2,00 cal / cm2 / min, ma con uno spettro che raggiunge picchi nell’infrarosso a onde più lunghe, a circa 10 æm. Poiché il tasso di input di energia è uguale al tasso di output, non vi è alcun accumulo netto di energia e nessun cambiamento sostanziale a lungo termine nella temperatura superficiale della Terra. Pertanto, la Terra rappresenta un sistema di flusso di energia a somma zero. (In realtà, nel corso del tempo geologico c’è stato un piccolo accumulo di energia, che si verifica come un accumulo di biomassa sotto-composta che alla fine si trasforma geologicamente in combustibili fossili. Ci sono anche piccole variazioni a lungo termine della superficie della temperatura terrestre che rappresentano il cambiamento climatico. Tuttavia, questi rappresentano eccezioni quantitativamente banali alla precedente affermazione sulla Terra come un sistema a somma zero, a flusso continuo per l’energia. Sebbene la quantità di energia emessa dalla Terra alla fine sia uguale alla quantità di radiazione solare che viene assorbita, ci sono alcune trasformazioni ecologicamente importanti che si verificano tra questi due eventi.
I modi più importanti con cui la Terra affronta le sue radiazioni solari incidentali sono:
- Una media di circa il 30% dell’energia solare incidente viene riflessa nello spazio esterno dall’atmosfera terrestre o dalla sua superficie. Questo processo è legato all’albedo della Terra, che è fortemente influenzato dall’angolo solare, dalla quantità di copertura nuvolosa e dal particolato atmosferico, e in misura minore dal carattere della superficie terrestre, in particolare dal tipo e dalla quantità di acqua (incluso il ghiaccio) e dalla copertura vegetale.
- Circa il 25% dell’energia incidente viene assorbita da gas atmosferici, vapori e particolato, convertita in calore o energia cinetica termica e quindi ri-irradiata come radiazione infrarossa a lunghezza d’onda più lunga.
- Circa il 45% della radiazione incidente viene assorbita sulla superficie terrestre da materiali viventi e non viventi e viene convertita in energia termica, aumentando la temperatura delle superfici assorbenti. A lungo termine (cioè anni) e anche a medio termine (cioè giorni) c’è poco o nessun accumulo netto di calore. Praticamente tutta l’energia assorbita viene ri-irradiata dalla superficie come energia infrarossa a onde lunghe, con un picco di lunghezza d’onda di circa 10 æm.
- Parte dell’energia termica delle superfici fa evaporare l’acqua dalle superfici vegetali e non viventi (vedi voce sull’evapotraspirazione), o causa lo scioglimento di ghiaccio o neve.
- A causa della distribuzione non uniforme dell’energia termica sulla superficie terrestre, alcune delle radiazioni assorbite guidano il trasporto di massa, i processi distributivi, come i venti, le correnti d’acqua e le onde sulla superficie dei corpi idrici.
- Molto piccolo (in media inferiore a 0.1%) ma la parte ecologicamente critica dell’energia solare in entrata viene assorbita dalla clorofilla delle piante e viene utilizzata per guidare la fotosintesi. Questa fissazione fotoautotrofica consente a parte dell’energia solare di essere temporaneamente immagazzinata nell’energia potenziale delle sostanze biochimiche e di servire come base energetica della vita sulla Terra.
Alcuni gas nell’atmosfera terrestre assorbono l’energia infrarossa a onde lunghe del tipo irradiato dalla materia riscaldata nel secondo e terzo meccanismo di dissipazione (sopra elencato). Questo assorbimento riscalda i gas, che poi subiscono un’altra ri-radiazione, emettendo energia infrarossa ancora più lunga lunghezza d’onda in tutte le direzioni, incluso il ritorno alla superficie terrestre. Il più importante dei cosiddetti gas radiativamente attivi nell’atmosfera sono acqua e anidride carbonica, ma i gas traccia metano, protossido di azoto, ozono e clorofluorocarburi sono anche significativi. Questo fenomeno, noto come effetto serra, interferisce significativamente con la velocità di raffreddamento radiativo della superficie terrestre.
Se non ci fossero effetti serra e l’atmosfera terrestre fosse completamente trasparente alle radiazioni infrarosse a onde lunghe, le temperature superficiali sarebbero in media di circa 17,6°F (-8°C), troppo fredde per i processi biologici. Poiché l’effetto serra naturale mantiene la temperatura superficiale media della Terra di circa 60 gradi Fahrenheit più calda di questa, a circa 77 ° F (25°C), è un fattore ovviamente importante nell’abitabilità del pianeta. Tuttavia, le attività umane hanno portato ad un aumento delle concentrazioni atmosferiche di alcuni dei gas radiativamente attivi e si teme che ciò possa causare un’intensificazione dell’effetto serra terrestre. Ciò potrebbe portare al riscaldamento globale, cambiamenti nella distribuzione delle precipitazioni e altri effetti climatici e gravi danni ecologici e socioeconomici.
Budget di energia fissa
L’energia ecologica esamina le trasformazioni di energia fissa e biologica all’interno delle comunità e degli ecosistemi, in particolare, il modo in cui l’energia biologicamente fissa viene passata attraverso la rete alimentare.
Ad esempio, gli studi di una foresta naturale di querce e pini nello stato di New York hanno scoperto che la vegetazione fissava l’energia solare equivalente a 11.500 kilocalorie per ettaro all’anno (103 Kcal/ha/anno). Tuttavia, la respirazione delle piante utilizzava 6,5× 103 Kcal / ha / anno, in modo che l’effettivo accumulo netto di energia nell’ecosistema fosse 5.0× 103 Kcal / ha / anno. I vari tipi di organismi eterotrofi nella foresta utilizzavano un altro 3,0× 103 Kcal / ha / anno per sostenere la loro respirazione, quindi la rete
TERMINI CHIAVE
Energia elettromagnetica— Un tipo di energia, che coinvolge i fotoni, che hanno proprietà fisiche sia delle particelle che delle onde. L’energia elettromagnetica è divisa in componenti spettrali, che (ordinati da lunghezza d’onda lunga a lunghezza d’onda corta) includono radio, infrarossi, luce visibile, ultravioletta e cosmica.
Entropia-La misura di una tendenza verso una maggiore casualità e disordine.
l’accumulo di biomassa da parte di tutti gli organismi dell’ecosistema era equivalente a 2,0 x 103 Kcal/ha/anno.
Il precedente è un esempio di bilancio energetico fisso a livello di ecosistema. A volte, gli ecologisti sviluppano bilanci di energia a livello di popolazione, e anche per gli individui. Ad esempio, a seconda delle circostanze e delle opportunità ambientali, le singole piante o animali possono ottimizzare la loro forma fisica allocando le loro risorse energetiche in varie attività, più semplicemente, nella crescita dell’individuo o nella riproduzione.
Tuttavia, i bilanci energetici biologici sono in genere molto più complicati. Ad esempio, una pianta può variamente allocare la sua energia nella produzione di steli più lunghi e più foglie per migliorare il suo accesso alla luce solare, o potrebbe crescere più a lungo e più radici per aumentare il suo accesso ai nutrienti del suolo, o più fiori e semi per aumentare la probabilità di riproduzione di successo. Esistono altre possibili strategie di allocazione, tra cui alcune combinazioni delle precedenti.
Allo stesso modo, un orso deve prendere decisioni sull’assegnazione del suo tempo ed energia. Deve decidere sulle attività associate al riposo, durante il giorno o il letargo a più lungo termine, la caccia di alimenti vegetali o animali, la ricerca di un compagno, la cura dei cuccioli o semplicemente il divertimento, come gli orsi selvatici sono noti per fare.
Vedi anche Trasferimento di energia; Catena alimentare/web.