Formas de energia
transformações de Energia e as leis da termodinâmica
energia Física orçamentos
Rendas fixas de energia
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Uma energia de orçamento descreve as formas em que a energia é transformada de um estado para outro, dentro de alguns definido o sistema, incluindo uma análise de entradas, saídas, e as mudanças nas quantidades armazenadas. Os orçamentos de energia ecológica se concentram no uso e transformação de energia na biosfera ou seus componentes.A radiação eletromagnética Solar é a principal fonte de energia para a Terra. Esta fonte externa de energia ajuda a aquecer o planeta, a evaporar a água, a circular a atmosfera e os oceanos e a sustentar processos ecológicos. Em última análise, toda a energia solar absorvida pela Terra é re-irradiada de volta para o espaço, como radiação eletromagnética de um comprimento de onda mais longo do que o que foi originalmente absorvido. A terra mantém um equilíbrio energético virtualmente perfeito entre Entradas e saídas de energia eletromagnética.Os ecossistemas da Terra dependem da radiação solar como fonte externa de energia difusa que pode ser utilizada por autotróficos fotossintéticos, como plantas verdes, para sintetizar moléculas orgânicas simples, como açúcares de moléculas inorgânicas, como dióxido de carbono e água. As plantas usam a energia fixa desses simples compostos orgânicos, mais nutrientes inorgânicos, para sintetizar uma enorme diversidade de bioquímicos através de várias reações metabólicas. As plantas utilizam estes bioquímicos e a energia que contêm para realizar o seu crescimento e reprodução. Além disso, a bio-massa vegetal é direta ou indiretamente utilizada como alimento pelos enormes números de organismos heterotróficos que são incapazes de fixar sua própria energia. Estes organismos incluem herbívoros que comem plantas, carnívoros que comem animais e nocivos que se alimentam de biomassa morta.Em todo o mundo, o uso de energia solar para este propósito ecológico é relativamente pequeno, representando muito menos de 1% da quantidade recebida na superfície da Terra. Embora esta seja uma parte quantitativamente trivial do orçamento energético da Terra, é claramente muito importante qualitativamente, porque esta é a energia absorvida e biologicamente fixa que subsidia todos os processos ecológicos.
formas de energia
a energia é definida como a capacidade, ou potencial capacidade, de um corpo ou sistema para fazer o trabalho. A energia pode ser medida em várias unidades, como a caloria, definida como a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de um grama de água pura em um grau Celsius. (Note que a caloria do nutricionista é equivalente a mil dessas calorias, ou um quilocalorie.) O Joule (J) é outra unidade de energia. Um joule é geralmente definido como a quantidade de trabalho necessária para levantar um peso de 1 kg por 10 cm na superfície da Terra. É equivalente a 0,24 calorias. Além disso, uma caloria (pequena caloria) é igual a cerca de 4.184 J.
a energia pode existir em vários Estados, todos os quais são intercambiáveis através de vários tipos de transformações físico-químicas. As categorias básicas de energia são:: eletromagnético, cinético e potencial, mas cada um deles também pode existir em vários estados.Energia eletromagnética é a energia de fótons, ou quanta de energia que tem propriedades de partículas e ondas, e que percorre o vácuo do espaço a uma velocidade constante de aproximadamente 3× 108 metros por segundo (ou seja, à velocidade da luz). Os Componentes da energia eletromagnética são caracterizados com base em intervalos de comprimento de onda, que ordenaram dos comprimentos de onda mais curtos aos mais longos são conhecidos como: Gama, raios x, ultravioleta, luz ou visível, infravermelho e rádio. Todos os corpos com uma temperatura superior a zero absoluto (ou seja , -459°F, ou zero graus na escala de Kelvin ) emitem energia eletromagnética a uma taxa e qualidade espectral que é estritamente determinada pela sua temperatura superficial. Corpos relativamente quentes têm taxas de emissão muito maiores e sua radiação é dominada por comprimentos de onda mais curtos, em comparação com corpos mais frios. O sol tem uma temperatura de superfície de cerca de 11 000 ° F (6, 093°c). A maior parte de sua radiação está na faixa de comprimento de onda de luz visível (0,4 a 0,7 æm ou micrômetros) e infravermelho de onda curta (0,7 a 2.0 æm), enquanto a terra tem uma temperatura de superfície de cerca de 77 ° F (25 ° C) e seus picos de radiação na faixa infravermelha de onda mais longa a cerca de 10 æm.A energia cinética é a energia do Movimento Dinâmico, da qual existem dois tipos básicos, a energia dos corpos em movimento e a energia dos átomos ou moléculas vibrantes. O mais tarde também é conhecido como energia térmica, e quanto mais vigorosa a vibração, maior o conteúdo de calor.
a energia potencial tem a capacidade de fazer o trabalho, mas deve ser mobilizada para fazê-lo. A energia potencial ocorre em várias formas. A energia potencial química é armazenada nas ligações interatômicas das moléculas. Esta energia pode ser liberada pelas chamadas reações exotérmicas, que têm uma liberação líquida de energia. Por exemplo, o calor é liberado quando o enxofre quimicamente reduzido de minerais de sulfeto é oxidado em sulfato, e quando o cloreto de sódio cristalino é dissolvido em água. Todos os bioquímicos também armazenam energia potencial, equivalente a 4,6 quilocalorias por grama de hidrato de carbono, 4,8 Kcal/g de proteína, e 6,0 a 9,0 Kcal/g de gordura.
a energia potencial gravitacional é armazenada em massa que é elevada acima de alguma superfície gravitacionalmente atraente, como quando a água ocorre acima da superfície dos oceanos, ou qualquer objeto ocorre acima da superfície do solo. A menos que obstruída, a água flui espontaneamente para baixo, e os objetos caem para baixo em resposta a gradientes de energia potencial gravitacional. Outros tipos de energia potencial são um pouco menos importantes em termos ecológicos energia orçamentos, mas eles incluem energias potenciais de gases comprimidos, gradientes de potencial elétrico associado com diferenciais de tensão, e a energia potencial da matéria, que pode ser liberada por reações nucleares.
transformações energéticas e as leis da termodinâmica
como observado anteriormente, a energia pode ser transformada entre os seus vários estados. A energia eletromagnética, por exemplo, pode ser absorvida por um objeto escuro e convertida em energia cinética térmica. Esta acção resulta num aumento da temperatura do corpo absorvente. Como outro exemplo, a energia potencial gravitacional da água no alto de um planalto pode ser transformada em energia cinética da água em movimento e calor em uma cachoeira, ou pode ser mobilizada pelos seres humanos para dirigir uma turbina e gerar energia elétrica. Em terceiro lugar, a radiação eletromagnética solar pode ser absorvida pela clorofila das plantas verdes, e parte da energia absorvida pode ser convertida na energia potencial química dos açúcares, e o resto convertida em calor.Todas as transformações de energia devem ocorrer de acordo com certos princípios físicos, conhecidos como as leis da termodinâmica. Estas são leis universais, o que significa que elas são sempre verdadeiras, independentemente das circunstâncias. A primeira lei afirma que a energia pode sofrer transformações entre os seus vários estados, mas nunca é criada nem destruída—por isso o conteúdo energético do universo permanece constante. Uma consequência desta lei para os orçamentos energéticos é que deve haver sempre um equilíbrio zero entre as entradas de energia para um sistema, as saídas de energia, e qualquer armazenamento líquido dentro do sistema.A Segunda Lei da termodinâmica afirma que as transformações de energia só podem ocorrer espontaneamente em condições nas quais há um aumento na entropia do universo. (A entropia está relacionada à aleatoriedade das distribuições de matéria e energia). Por exemplo, a terra é continuamente irradiada por radiação solar, principalmente de comprimentos de onda visíveis e infravermelhos próximos. Parte desta energia é absorvida, que aquece a superfície da Terra. O planeta arrefece-se de várias formas, mas, em última análise, isto é feito irradiando a sua própria radiação electromagnética de volta para o espaço, como radiação infravermelha de ondas mais longas. A transformação da radiação solar de ondas relativamente curtas na radiação de ondas mais longas emitida pela Terra representa uma degradação da qualidade da energia, e um aumento na entropia do universo.Um corolário, ou proposição secundária da Segunda Lei da termodinâmica é que as transformações de energia nunca podem ser completamente eficientes, porque parte do conteúdo inicial de energia deve ser convertida em calor para que a Entropia possa ser aumentada. Em última análise, esta é a razão pela qual não mais de 30% do conteúdo de energia da gasolina pode ser convertido na energia cinética de um automóvel em movimento. É também a razão pela qual apenas cerca de 40% da energia do carvão pode ser transformada em electricidade numa moderna Central de produção. Da mesma forma, há limites superiores para a eficiência pela qual as plantas verdes podem fotossinteticamente converter radiação visível em bioquímicos, mesmo em ecossistemas nos quais restrições ecológicas relacionadas com nutrientes, água e espaço são otimizados.Curiosamente, as plantas absorvem a radiação visível emitida pelo sol, e usam esta energia relativamente dispersa para fixar moléculas inorgânicas simples como dióxido de carbono, água e outros nutrientes em bioquímicos muito complexos e densos de energia. Organismos heterotróficos então usam os bioquímicos da biomassa vegetal para sintetizar seus próprios bioquímicos complexos. Localmente, estas várias sínteses biológicas representam transformações de energia que diminuem substancialmente a Entropia, ao invés de aumentá-la. Isto ocorre porque a energia solar relativamente dispersa e compostos simples são focados nos complexos bioquímicos de organismos vivos.As transformações biológicas não obedecem à Segunda Lei da termodinâmica? Este aparente paradoxo físico da vida pode ser racionalizado com sucesso, usando a seguinte lógica: A bio-concentração localizada da entropia negativa pode ocorrer porque há uma entrada constante de energia no sistema, na forma de radiação solar. Se esta fonte externa de energia fosse terminada, então toda a Entropia negativa de organismos e matéria orgânica seria rapidamente degradada espontaneamente, produzindo calor e moléculas inorgânicas simples, aumentando assim a entropia do universo. É por isso que a vida e os ecossistemas não podem sobreviver sem entradas contínuas de energia solar. Portanto, a biosfera pode ser considerada como representando uma ilha localizada, no espaço e no tempo, de entropia negativa, alimentada por uma fonte externa (solar) de energia. Existem análogos físicos a essas circunstâncias ecológicas-se a energia externa é colocada no sistema, moléculas relativamente dispersas de gases podem ser concentradas em um recipiente, como ocorre quando uma pessoa sopra energeticamente para encher um balão com ar. Eventualmente, no entanto, o balão estoura, os gases se dispersam novamente, a entrada de energia original é convertida em calor, e a entropia do universo é aumentada.
orçamentos de energia física
orçamentos de energia física consideram um sistema particular, definido, e, em seguida, analisar as entradas de energia, suas várias transformações e estoques, e as eventuais Saídas. Este conceito pode ser ilustrado por referência ao orçamento energético da Terra.
a maior entrada de energia para a Terra ocorre como energia eletromagnética solar. Nos limites exteriores da atmosfera terrestre, a taxa média de entrada de radiação solar é de 2,00 calorias por cm2 por minuto (este fluxo é conhecido como a constante solar). Cerca de metade dessa entrada de energia ocorre como radiação visível, e metade como infravermelho próximo. Como observado anteriormente, a terra também emite sua própria radiação eletromagnética, novamente a uma taxa de 2,00 cal / cm2 / min, mas com um espectro que atinge picos no infravermelho de onda mais longa, a cerca de 10 æm. Como a taxa de entrada de energia é igual à taxa de saída, não há armazenamento líquido de energia, e nenhuma mudança substancial, a mais longo prazo, na temperatura da superfície da Terra. Portanto, a Terra representa um sistema de fluxo de energia de soma zero. (Na verdade, ao longo do tempo geológico houve um pequeno armazenamento de energia, ocorrendo como uma acumulação de biomassa sub-composta que eventualmente se transforma geologicamente em combustíveis fósseis. Há também pequenas variações a longo prazo da superfície de temperatura da Terra que representam a mudança climática. No entanto, estas representam exceções quantitativamente triviais à afirmação anterior sobre a terra como um sistema de fluxo de soma zero para energia.) Embora a quantidade de energia emitida pela Terra eventualmente seja igual à quantidade de radiação solar que é absorvida, há algumas transformações ecologicamente importantes que ocorrem entre estes dois eventos.As formas mais importantes pelas quais a Terra lida com as suas radiações solares incidentes são::
- uma média de cerca de 30% da energia solar incidente é refletida de volta para o espaço pela atmosfera da terra ou sua superfície. Este processo está relacionado com o albedo da Terra, que é fortemente influenciado pelo ângulo solar, as quantidades de cobertura de nuvens e partículas atmosféricas, e em menor grau pelo caráter da superfície da terra, especialmente os tipos e quantidade de água (incluindo gelo) e cobertura de vegetação.Cerca de 25% da energia incidente é absorvida por gases atmosféricos, vapores e partículas, convertidas em calor ou energia cinética térmica, e então re-irradiada como radiação infravermelha de comprimento de onda maior.Cerca de 45% da radiação incidente é absorvida na superfície da terra por materiais vivos e não-vivos, e é convertida em energia térmica, aumentando a temperatura das superfícies absorventes. A mais longo prazo (ou seja, anos) e mesmo a médio prazo (ou seja, dias) há pouco ou nenhum armazenamento líquido de calor. Virtualmente toda a energia absorvida é re-irradiada pela superfície como energia infravermelha de onda longa, com um pico de comprimento de onda de cerca de 10 æm.Parte da energia térmica das superfícies faz com que a água evapore de superfícies vegetais e não vivas (ver entrada sobre a evapotranspiração), ou faz com que o gelo ou a neve derretam.Devido à distribuição desigual da energia térmica na superfície da Terra, algumas das radiações absorvidas impulsionam o transporte de massa, processos de distribuição, tais como ventos, correntes de água e ondas na superfície das massas de água.
- uma muito pequena (média inferior a 0.1%) mas parte ecologicamente crítica da energia solar recebida é absorvida pela clorofila das plantas, e é usado para conduzir a fotossíntese. Esta fixação fotoautotrófica permite que parte da energia solar seja temporariamente armazenada na energia potencial de bioquímicos, e para servir como a base energética da vida na Terra.Certos gases na atmosfera terrestre absorvem energia infravermelha de onda longa do tipo que é irradiada por matéria aquecida no segundo e terceiro mecanismos de dissipação (listados acima). Esta absorção aquece os gases, que então passam por outra re-radiação, emitindo energia infravermelha de comprimento de onda ainda maior em todas as direções, incluindo de volta à superfície da Terra. O mais importante dos chamados gases radiativamente ativos na atmosfera são a água e o dióxido de carbono, mas os gases residuais metano, óxido nitroso, ozônio e clorofluorocarbonetos também são significativos. Este fenômeno, conhecido como efeito estufa, interfere significativamente com a taxa de resfriamento radiativo da superfície da Terra.Se não houvesse efeito estufa, e a atmosfera da Terra fosse totalmente transparente à radiação infravermelha de ondas longas, as temperaturas da superfície seriam em média de 17,6°F (-8°C), muito frias para que os processos biológicos ocorressem. Como o efeito estufa que ocorre naturalmente mantém a temperatura média da superfície da Terra cerca de 60 graus Fahrenheit mais quente do que isso, a cerca de 77°F (25°C), é um fator obviamente importante na habitabilidade do planeta. No entanto, as atividades humanas resultaram em concentrações atmosféricas crescentes de alguns dos gases radiativamente ativos, e há preocupações de que isso poderia causar uma intensificação do efeito estufa da Terra. Isso poderia levar ao aquecimento global, mudanças na distribuição de chuvas e outros efeitos climáticos, e danos ecológicos e socioeconômicos severos.
orçamentos de energia fixa
a Energética ecológica examina as transformações de energia fixa, biológica dentro das Comunidades e dos ecossistemas, em particular, a forma como a energia biologicamente fixa é passada através da rede alimentar.
por exemplo, estudos de um pinheiro-carvalho natural no estado de Nova Iorque descobriram que a vegetação fixava energia solar equivalente a 11, 500 quilocalorias por hectare por ano (103 Kcal/ha/ano). No entanto, a respiração da planta utilizou 6,5× 103 Kcal/ha/yr, de modo que a acumulação líquida real de energia no ecossistema foi de 5.0× 103 Kcal / ha / yr. Os vários tipos de organismos heterotróficos na floresta utilizado outro 3.0× 103 Kcal/ha/ano para apoiar a sua respiração, de modo que o líquido
TERMOS-CHAVE
energia Electromagnética de Um tipo de energia, envolvendo fótons, que têm propriedades físicas de ambas as partículas e ondas. A energia eletromagnética é dividida em componentes espectrais, que (ordenados de comprimento de onda longo a curto) incluem rádio, infravermelho, luz visível, ultravioleta e cósmica.
Entropia-a medição de uma tendência para o aumento da aleatoriedade e desordem.
a acumulação de biomassa por todos os organismos do ecossistema foi equivalente a 2,0 x 103 Kcal/ha/ano.O anterior é um exemplo de um orçamento de energia fixa ao nível dos ecossistemas. Por vezes, os ecologistas desenvolvem orçamentos de energia aos níveis da população, e mesmo para indivíduos. Por exemplo, dependendo das circunstâncias e oportunidades ambientais, plantas ou animais individuais podem otimizar a sua aptidão atribuindo os seus recursos energéticos a várias atividades, mais simplesmente, no crescimento do indivíduo ou na reprodução.
no entanto, os orçamentos biológicos de energia são tipicamente muito mais complicados. Por exemplo, uma planta pode variadamente alocar sua energia para a produção de longas hastes e mais folhas para melhorar o seu acesso à luz solar, ou poderia crescer mais e mais raízes para aumentar o seu acesso a nutrientes do solo, ou mais flores e sementes para aumentar a probabilidade de sucesso na reprodução. Existem outras estratégias de atribuição possíveis, incluindo alguma combinação das anteriores.Da mesma forma, um urso deve tomar decisões sobre a alocação de seu tempo e energia. Deve decidir sobre as actividades associadas ao repouso, durante o dia ou a hibernação a mais longo prazo, à caça de alimentos vegetais ou animais, à procura de um parceiro, a cuidar das crias, ou apenas a divertir-se, como os ursos selvagens são conhecidos por fazer.
Ver também transferência de energia; cadeia alimentar / web.