TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y FLUJO DE LA MATERIA
Los mecanismos de
transferencia de energía son los procesos los cuales se intercambia energía en
forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo
cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos
pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos
predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de
la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola
situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y
la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
La conducción de calor es un mecanismo de
transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto
directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la
temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por
medio de ondas.
La conducción del calor es
muy baja en el espacio, ultra alto en el vacío y es nula en el espacio vacío
ideal, espacio sin energía.
El principal parámetro
dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es
la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de
conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento
cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras
substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad
térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para
oponerse al paso del calor.
La convección es una de las tres formas
de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de
un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes
temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de
materiales fluidos. Éstos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto,
disminuyen su densidad y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la
parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por
medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.
La transferencia de calor
implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos
macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye
también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por
medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección
mecánica o asistida).
En la transferencia de
calor libre o natural en la cual un fluido es más caliente o más frío y en
contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las
diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el
fluido.
Efecto
invernadero
Se llama efecto invernadero
al fenómeno por el cual determinados gases, componentes de una atmósfera
planetaria retienen parte de la energía que el suelo emite por haber sido
calentado por la radiación solar. Afecta a todos los cuerpos planetarios
dotados de atmósfera. De acuerdo con el actual consenso científico, el efecto
invernadero se está viendo acentuado en la Tierra por la emisión de ciertos
gases, como el dióxido de carbono y el metano, debida a la actividad económica
humana.
Este fenómeno evita que la
energía del Sol recibida constantemente por la Tierra vuelva inmediatamente al
espacio, produciendo a escala planetaria un efecto similar al observado en un
invernadero.
La Tierra, como todo cuerpo
caliente, emite radiación, pero al ser su temperatura mucho menor que la solar,
emite radiación infrarroja de una longitud de onda mucho más larga que la que
recibe. Sin embargo, no toda esta radiación vuelve al espacio, ya que los gases
de efecto invernadero absorben la mayor parte.
La atmósfera transfiere la
energía así recibida tanto hacia el espacio (37,5%) como hacia la superficie de
la Tierra (62,5%). Ello representa 324 W/m2, casi la misma cantidad de energía
que la proveniente del Sol, aún sin albedo. De este modo, el equilibrio térmico
se establece a una temperatura superior a la que se obtendría sin este efecto.
La importancia de los efectos de absorción y emisión de radiación en la
atmósfera son fundamentales para el desarrollo de la vida tal y como se conoce.
De hecho, si no existiera este efecto la temperatura media de la superficie de
la Tierra sería de unos -22 ºC, y gracias al efecto invernadero es de unos
14ºC.
En zonas de la Tierra cuya
atmósfera tiene poca proporción de gases de efecto invernadero (especialmente
de vapor de agua), como en los grandes desiertos, las fluctuaciones de
temperatura entre el día (absorción de radiación solar) y la noche (emisión
hacia el cielo nocturno) son muy grandes.
Desde hace unos años el
hombre está produciendo un aumento de los gases de efecto invernadero , con lo
que la atmósfera retiene más calor y devuelve a la Tierra aún más energía
causando un desequilibrio del balance radiactivo y un calentamiento global.
La imagen muestra cómo
estos flujos se combinan para mantener caliente la superficie del planeta
creando el efecto invernadero. Si 235 W/m2 fuera el calor total recibido en la
superficie, entonces la temperatura de equilibrio de la superficie de la Tierra
sería de -22 °C (Lashof 1989). En cambio, la atmósfera de la Tierra recicla el
calor que viene de la superficie y entrega unos 324 W/m2 adicionales que elevan
la temperatura media de la superficie a aproximadamente +14 °C .
El efecto invernadero es un
factor esencial del clima de la Tierra. Bajo condiciones de equilibrio, la
cantidad total de energía que entra en el sistema por la radiación solar se
compensará exactamente con la cantidad de energía radiada al espacio,
permitiendo a la Tierra mantener una temperatura media constante en el tiempo.
Todos los cuerpos, por el
hecho de estar a una cierta temperatura superior al cero absoluto, emiten una
radiación electromagnética. La radiación electromagnética se traslada sin
obstáculos a través del vacío, pero puede hacerlo también a través de medios
materiales con ciertas restricciones. Las radiaciones de longitud de onda más
corta (o frecuencia más alta) son más penetrantes, como ilustra el
comportamiento de los rayos X cuando se los compara con la luz visible. También
depende de las propiedades del medio material, especialmente del parámetro
denominado transmitancia, que se refiere a la opacidad de un material dado para
radiación de una determinada longitud de onda.
Calentamiento
global en el pasado
Los geólogos creen que la
Tierra experimentó un calentamiento global durante el Jurásico inferior con
elevaciones medias de temperatura que llegaron a 5 ºC. Ciertas
investigaciones indican que esto fue la causa de que se acelerase la erosión de
las rocas hasta en un 400%, un proceso en el que tardaron 150.000 años en
volver los valores de dióxido de carbono a niveles normales. Posteriormente se
produjo también otro episodio de calentamiento global conocido como Máximo
termal del Paleoceno-Eoceno[24]
Efectos
potenciales
Muchas organizaciones
públicas, organizaciones privadas, gobiernos y personas individuales están
preocupados por que el calentamiento global pueda producir daños globales en el
medio ambiente y la agricultura.
Esto es materia de una
controversia considerable, con los grupos ecologistas exagerando los daños
posibles y los grupos cercanos a la industria cuestionando los modelos climáticos
y las consecuencias del calentamiento global
subvencionando ambos a los científicos para que también lo hagan.
Debido a los efectos
potenciales en la salud humana y en la economía, y debido a su impacto en el
ambiente, el calentamiento global es motivo de gran preocupación. Se han
observado ciertos procesos y se los ha relacionado con el calentamiento global.
La disminución de la capa de nieve, la elevación del nivel de los mares y los
cambios meteorológicos son consecuencias del calentamiento global que pueden
influir en las actividades humanas y en los ecosistemas. Algunas especies
pueden ser forzadas a emigrar de sus hábitats para evitar su extinción debido a
las condiciones cambiantes, mientras otras especies pueden extenderse. Pocas de
las ecorregiones terrestres pueden esperar no resultar afectadas.
Elevación del nivel de los
mares, medido en 23 estaciones fijas, entre 1900 y 2000.
Otro motivo de gran
preocupación para algunos es la elevación del nivel de los mares. Los niveles
de los mares se están elevando entre 1 y 2 centímetros por decenio, y algunas
naciones isleñas del Océano Pacífico, como Tuvalu, están trabajando en los
detalles de una eventual evacuación. El calentamiento global da lugar a
elevaciones del nivel marino debido a que el agua de los mares se expande
cuando se calienta, además de que se produce un aumento de la cantidad de agua
líquida procedente del adelgazamiento de los casquetes polares, del hielo
marino y de la reducción de los glaciares. En palabras del TAR del IPCC:
Se prevé que el nivel medio
global del mar se elevará entre 9 y 99 cm entre 1990 y 2100 y en caso de
que todo el hielo de la Antártida se derritiera, el nivel del mar aumentaría
125 m.
Con un aumento de 6 m, se
inundarían Londres y Nueva York. Esto es debido primariamente a la expansión
térmica y a la pérdida de masa de los glaciares y casquetes polares.
Conforme el clima se haga
más cálido la evaporación se incrementará. Esto causaría un aumento de las
precipitaciones lluviosas y más erosión. Mucha gente piensa que esto podría
resultar en un tiempo meteorológico más extremo conforme progrese el
calentamiento global. El TAR del IPCC dice:
Se prevé que la
concentración global de vapor de agua y las precipitaciones se incrementarán
durante el siglo XXI. Para la segunda mitad del siglo XXI es probable que las
precipitaciones se hayan incrementado en las latitudes medio altas y en la
Antártida en invierno. En las bajas latitudes habrá tanto incrementos como
decrecimientos regionales según diferentes áreas. En la mayoría de las áreas
serán probables variaciones interanuales y se espera un incremento en las
precipitaciones.
El calentamiento global
tendría otros efectos menos evidentes. La corriente del Atlántico norte, por
ejemplo, se debe a los cambios de temperatura. Parece ser que, conforme el
clima se hace más cálido, esta corriente está disminuyendo, y esto quiere decir
que áreas como Escandinavia y Gran Bretaña, que son calentadas por esta
corriente, podrían presentar un clima más frío, en lugar del calentamiento
general global.
Hoy se teme que el
calentamiento global sea capaz de desencadenar cambios bruscos de temperatura.
La corriente del Atlántico Norte data de la época del deshielo de la última
glaciación (hace 14.000 años). Hace 11.000 años esa corriente sufrió una
interrupción que duró 1.000 años. Esto provocó la pequeña glaciación conocida
como Joven Dryas el nombre de una flor
salvaje alpina que duró 900 años en el noroeste de Norteamérica y el norte de
Europa. (Ver la discusión sobre la teoría del caos para ideas relacionadas.)
El calentamiento global
modificaría la distribución de la fauna y floras del planeta. Ello supondría la
expansión de enfermedades de las que algunos de esos animales son portadores.
Tal es el caso de la malaria, el dengue o la fiebre amarilla, cuyos vectores
son ciertas especies de mosquitos que habitan principalmente
en zonas tropicales.
El calentamiento global
también podría tener efectos positivos, ya que las mayores temperaturas y
mayores concentraciones de CO2 pueden mejorar la productividad de los
ecosistemas. Los datos aportados por satélites muestran que la productividad
del Hemisferio Norte se ha incrementado desde 1982. Por otro lado, un
incremento en la cantidad total de la biomasa producida no es necesariamente
bueno, ya que puede disminuir la biodiversidad aunque florezcan un pequeño
número de especies. De forma similar, desde el punto de vista de la economía
humana, un incremento en la biomasa total pero un descenso en las cosechas
podría ser una desventaja. Además, los modelos del IPCC predicen que mayores
concentraciones de CO2 podrían favorecer la flora hasta cierto punto, ya que en
muchas regiones los factores limitantes son el agua y los nutrientes, no la
temperatura o el CO2. Tras ese punto, incluso aunque los efectos invernadero y
del calentamiento continuasen, podría no haber ningún incremento del
crecimiento.
Otro posible punto de
discusión es la influencia de los efectos del calentamiento global en el
equilibrio económico humano norte-sur. Por ejemplo, si provocaría una mayor
desertización de los países áridos y semiáridos y un clima más benigno en los
países fríos, o bien si el efecto sería diferente.
En el plano económico, el
Informe Stern encargado por el gobierno británico en 2005 pronosticó una
recesión del 20% del PIB mundial debido al cambio climático, si no se tomaban
una serie de medidas preventivas que, en conjunto, absorberían el 1% del PIB
mundial.
Actividad 4
¿Cuáles son los mecanismos de transferencia
de energía y flujo de la materia?
Explica el efecto invernadero.
Realiza una monografía sobre el fenómeno del niño, de la niña y el
calentamiento global.
