Lección 3

Capítulo I.
“Termodinámica y Física de
los Fluidos aplicadas a
procesos naturales”.
Tema 1.
“Las condiciones ambientales y
su relación con la supervivencia
en la Antártida”.
Tercera Lección.
“Ejemplos y principios físicos de
supervivencia en la Antártida.”.
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
1
El Pingüino Emperador (Aptenodytes
forsteri).
“Aptenodytes” significa el nadador más rápido y “forsteri”
es en honor de J.R. Forster que acompañó al Captain Cook
en la expedición HMS Resolution (1772-1775) y fue el primer
naturalista en describir estos pingüinos.
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FPN (Prof. RAMOS)
2
El Pingüino Emperador: distribución
geográfica.
Vive en Antártica. Su
distribución es
circumpolar (entre los
66º y 78º Sur). Se han
identificado unas 40
colonias, situadas en
general sobre hielo.
Población estimada
436.200 individuos.
Problemas de
supervivencia por la
presión humana en sus
proximidades y
distribución del Krill.
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3
Descripción del emperador.
Pintas anaranjadas sensibles a la luz ultravioleta.
1.2 m.
Entre 30 y 45 kg
Esta especie es la más
grande de todos los
pingüinos. Alcanza 1.2
metros de longitud, con un
peso promedio de 30 Kg,
algunos ejemplares
pueden pesar hasta 45 Kg.
Pasan el invierno en el
continente incubando.
Sometidos a valores
ambientales extremos:
Temperaturas mínimas de
-62 ºC y rachas de viento
de hasta 192 km/h.
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4
Habitat del emperador.
Forma colonias generalmente muy
numerosas de 150 a 50.000
individuos.
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5
Reproducción del emperador I.
Los huevos son incubados
entre las patas de los padres,
mientras que las madres
después de la puesta van al
mar de inmediato. El periodo
de incubación está entre 62 y
67 días. Si la madre no ha
llegado al eclosionar, el macho
regurgita la llamada leche de
pingüino.
El huevo tiene la menor
relación entre su tamaño y el
del ave adulta de cualquier
especie.
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6
Reproducción del emperador II.
Los padres, habiendo perdido el
45% de su peso durante los 115 días
que han pasado sin comer, son
relevados por las madres que
atienden a la cría por unos 24 días.
Regresando los padres entonces para
permanecer al cargo de los menores
en compañía de la hembra durante
los siguientes 4 meses.
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7
Reproducción del emperador III.
Ambos padres continúan alternándose y
alimentando a los pichones durante los
próximos 120 días.
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8
Locomoción del emperador I.
Natación.
Profundidades de buceo habitual: 50 m.
Máxima profundidad de buceo: 400 metros.
Tiempo medio de inmersión: de 2 a 8 min.
Tiempo máximo de inmersión: 18 min.
Velocidad media de nado : 10.8 km/h.
Velocidad máxima de nado : 14.4 km/h.
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9
Locomoción del emperador II.
Marcha y deslizamiento.
Velocidad máxima de la
marcha 2 km/h.
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10
Alimentación del emperador.
Pequeños crustaceos y krill.
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11
Depredadores del emperador.
Orcas y focas leopardo.
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12
Tasas de metabolismo del emperador.
Tasas de metabolismo:
ACTIVIDAD
(Factor)
BASAL (1)
AVE DE 25 kg
AVE DE 40 kg
25W
34W
LIMITADA (1.7)
42W
58W
MEDIA (2.9)
73W
99W
BUCEO (4.1)
103W
140W
• Temperatura basal del pingüino (35ºC a 37ºC).
• Temperatura de incubación (34ºC)
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13
Energía generada por pérdida de masa.
Composición de la grasa de pingüino:
Componente
%
Grasas
61.7
Proteínas
5.9
Agua
32.4
Energía generada
por gramo de grasa:
e = 25.5 kJ.
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14
Metabolismo y termorregulación.
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15
Metabolismo y ayuno.
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16
Gasto energético.
∆ U = ∆ M p ( e)
M
t=
∆U
Energía generada por la
masa corporal perdida
(J).
Tiempo de ayuno
máximo a una tasa de
metabolismo, M (días).
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17
Gasto de energía del macho durante la
incubación.
Individuo macho de 40 kg, en ayuno durante la
incubación, pérdida del 45% de su masa corporal.
Actividad
Pérdida de
Masa, ∆Mp
Pérdida de
energía ∆U
Días máximos de
ayuno (t).
Basal (34W)
Limitada (58W)
18 kg
18 kg
4.6 108 J
4.6 108 J
157
92
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18
Condiciones del entorno.
• Condiciones ambientales promedio:
Invierno:
<Temp> media (ºC)
Velocidad media del
viento (m/s)
Intensidad de Radiación
Solar (W/m2)
Verano:
<Temp> media (ºC)
Velocidad media del
viento (m/s)
Intensidad de Radiación
Solar (W/m2).
-30
(0,10)
0
-10
(0,10)
150
Ángulo elevación media=22º
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19
Geometría corporal individuo aislado.
D=0.5 m.
h=1.2m.
Área superficial=1.89 m2
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20
Calor intercambiado con el entorno:
convección libre en invierno.
• Intervalos sin viento.
Convección libre y radiación
infrarroja infrarroja:
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21
Mecanismos de intercambio de
energía en invierno.
• Intervalos con viento.
Convección Forzada y
radiación infrarroja:
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22
Mecanismos de intercambio de
energía en verano.
• Intervalos sin viento.
Convección libre y
Radiación Neta:
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
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23
Mecanismos de intercambio de
energía en verano.
• Intervalos con viento.
Convección Forzada y
Radiación Neta:
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24
Balance energético del emperador.
Principio de conservación de la energía
(primer principio de la termodinámica) :
Metabolismo (M) + Radiación Solar (Is)=
Convección (Ic) + Conducción (C) + Radiación
infrarroja (Ii)
LA ENERGÍA PRODUCIDA O GANADA POR EL AVE SERÁ
(+).
LA ENERGÍA PERDIDA POR EL AVE SERÁ
(-).
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25
Parámetros característicos del medio.
Conductividad térmica del aire
(W/mK).
Viscosidad cinemática del aire (m2/s).
24.0 10-3
12.9 10-6
Absortancia (α).
0.50
Emisividad (ε).
0.95
Conductividad térmica de la grasa y
pluma de pingüino (W/mK).
0.064
σ- Constante de Stefan-Boltzmann= 5.6703 10-8 (W/m2K4).
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26
Balance de energía en invierno.
Sin viento.
• Intervalos sin viento.
<Temp> media (ºC)
-30
Velocidad media del
viento (m/s) (km/h)
Intensidad de Radiación
Solar (W/m2)
0 (0)
0
Convección libre.
Emisión de radiación infrarroja.
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27
Balance energía en invierno: emisión de
radiación infrarroja.
I Inf = Sεσ (Tp − Ta ) = −18W
4
Tp = (273-27) K = 246 K
Ta = (273-30) K = 243 K
4
∆T = 3 K
σ- Constante de Stefan-Boltzmann= 5.6703 10-8 (W/m2K4).
Emsividad = 0.95
Área superficial=1.89 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
28
Balance de energía en invierno:
convección libre.
k
0.33
2
h = 0.11Gr = 2.21W / m º C
d
I convección = Sh∆T = −13W
∆T = 3 ºC
Área superficial=1.89 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
29
Balance de energía en invierno.
Sin viento.
• Intervalos sin viento.
<Temp>
(ºC)
-30
Viento m/s
0
Radiación
Solar W/m2
0
I Inf = −18W
I convección = −13W
I = I convección + I Neta = −31W
Metabolismo( M ) = 34W
I = 31W < M = 34W
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
30
Balance de energía en invierno.
Con viento.
• Intervalos con viento.
Convección Forzada:
<Temp> media (ºC)
-30
Velocidad media del 10(36)
viento (m/s)
Intensidad de
0
Radiación Solar
(W/m2)
Convección Forzada.
Emisión de radiación infrarroja.
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
31
Balance de energía en invierno:
emisión de radiación infrarroja.
I Inf = Sεσ (Tp − Ta ) = −6W
4
4
σ- Constante de Stefan-Boltzmann= 5.6703 10-8 (W/m2K4).
Tp = (273 - 29 ºC) K = 244 K
Ta = (273 - 30 ºC) K = 243 K
Área superficial=1.89 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
32
Balance de energía en invierno:
convección forzada.
k
0.60
2
h = 0.24 Re = 26W / m º C
d
I convección = Sh∆T = 49W
∆T = 1 ºC
Área superficial=1.89 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
33
Balance de energía en invierno:
con viento.
• Intervalos sin viento.
<Temp>
(ºC)
-30
Viento m/s
10
Radiación
Solar W/m2
0
I Neta = −6W
I convección = −49W
I = I convección + I Inf = −55W
Metabolismo( M ) = 34W
I = 55W > M = 34W
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
34
Balance de energía en verano:
sin viento
<Temp> media (ºC)
-10
Velocidad media del
viento (m/s) (km/h)
Intensidad de Radiación
Solar (W/m2).
0(0)
150
Ángulo elevación media=22º
• Intervalos sin viento.
Convección libre.
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
35
Balance de energía en verano:
emisión de radiación infrarroja.
I Inf = Sεσ (Tp − Ta ) = −30W
4
4
σ- Constante de Stefan-Boltzmann= 5.6703 10-8 (W/m2K4).
Tp = (273-10) K = 263 K
Ta = (273-6) K = 267 K
∆T = 4 K
Área superficial=1.89 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
36
Balance de energía en verano:
absorción de radiación solar.
I absorbida = StransversalαI S cos(68º ) = 17W
Stransversal = 0.6m
2
Flujo solar medio Absortancia (α)
(W/m2) IS
150
0.5
Angulo de
incidencia (º)
68
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
37
Balance de energía en verano:
convección libre.
k
0.33
2
h = 0.11Gr = 2.71W / m º C
d
I convección = Sh∆T = −21W
∆T = 4 ºC
Área superficial=1.89 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
38
Balance de energía en verano:
sin viento
• Intervalos sin viento.
<Temp>
(ºC)
-10
Viento m/s
0
Radiación
Solar W/m2
150
I Neta = I S − I inf = (17 − 30)W = −13W
I convección = −21W
I = I convección + I Neta = −34W
Metabolismo( M ) = 34W
I = 34W = M = 34W
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
39
Balance de energía en verano:
con viento.
<Temp> media (ºC)
-10
Velocidad media del 10(36)
viento (m/s) (km/h)
Intensidad de
150
Radiación Solar
(W/m2).
Ángulo elevación media=22º
• Intervalos con viento.
Convección Forzada.
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
40
Balance de energía en verano:
emisión de radiación infrarroja.
I Inf = Sεσ (Tp − Ta ) = −8W
4
Tp = (273-10) K = 263 K
Ta = (273-9) K = 264 K
4
∆T = 1 K
σ- Constante de Stefan-Boltzmann= 5.6703 10-8 (W/m2K4).
Área superficial=1.89 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
41
Balance de energía en verano:
absorción de radiación solar.
I absorbida = SαI S cos(68º ) = 17W
Flujo solar medio Absortancia (α)
(W/m2) IS
150
0.5
Angulo de
incidencia (º)
68
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
42
Balance de energía en verano:
convección forzada.
k
0.60
2
h = 0.24 Re = 26W / m º C
d
I convección = Sh∆T = −49W
∆T = 1 ºC
Área superficial=1.89 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
43
Balance de energía en verano:
con viento.
• Intervalos con viento.
<Temp>
(ºC)
-10
Viento m/s
0
Radiación
Solar W/m2
150
I Neta = I S − I inf = (17 − 8)W = 9W
I convección = −49W
I = I convección + I Neta = −40W
Metabolismo( M ) = 34W
I = 40W > M = 34W
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
44
Valores comparativos de
diferentes situaciones.
Verano sin
viento
Verano con
viento
Invierno sin
viento
Invierno con
viento
Radiación
Neta (W)
Convección
(W)
-13
-21
9
Energía
perdida
(W)
Temperatura
media (ºC).
∆T(ºC)
Velocidad
(m/s2)
-34
-10
4
0
-49
-40
-10
1
10
-18
-13
-31
-30
3
0
-6
-49
-55
-30
1
10
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
45
Estrategias térmicas del pingüino.
• Fomación de Melés colectivas.
• Variación de la esponjosidad del plumaje.
– Alteración del contenido en aire (mayor
conductividad térmica.
– Aumento del espesor de la capa aislante.
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
46
Geometría corporal individuo aislado.
D=1m.
h=1.2m.
Área superficial=1.89 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
47
Geometría grupo de 18 individuos.
Las melés suelen reunir a más de 3000 aves que se mueven lentamente en la
dirección del viento dominante cambiando alternativamente de posición.
D= 1.5 m.
h= 1.2 m.
Factor de empaquetamiento= 10 aves/m2 Área/individuo= 0.1 m2.
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
48
Balance de energía en invierno:
convección forzada. Formando melé.
• Intervalos sin viento.
<Temp> media (ºC)
-30
Velocidad media del
viento (m/s) (km/h)
Intensidad de Radiación
Solar (W/m2)
10(36)
0
Convección forzada.
Emisión de radiación infrarroja.
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
49
Balance de energía en invierno:
emisión de radiación infrarroja.
I Inf = Sεσ (Tp − Ta ) = −18W
4
4
σ- Constante de Stefan-Boltzmann= 5.6703 10-8 (W/m2K4).
Tp = (273 - 29 ºC) K = 244 K
Ta = (273 - 30 ºC) K = 243 K
Área superficial=5.7 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
50
Balance de energía en invierno:
convección forzada.
k
0.60
2
h(lat ) = 0.24 Re = 17W / m º C
d
k
0.80
h(sup) = 0.032 Re = 36W / m 2 º C
d
∆T = 3 ºC
I convección (lateral ) = Sh∆T = −288W
I convección (sup) = Sh∆T = −192W
Área superficial = 5.7 m2
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
51
Balance de energía en invierno:
con viento y formando melé.
• Intervalos sin viento.
I Neta = −18W
I convección = −480W
I = I convección + I Inf
I
= −498W ⇒ = 28W
9
<Temp>
(ºC)
-30
Viento m/s
10
Radiación
Solar W/m2
0
Metabolismo( M ) = 34W
I = 55W (sin melé ) > 28W (melé ) < M = 34W
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
52
Variación de la conductividad térmica
y el espesor de la capa aislante.
re
ri
Te=-30 ºC
Ti=37ºC
 re 
Mre ln 
ri 

K=
Ti − Te
re, disminuye al adelgazar por el ayuno invernal.
Los valores iniciales son: re=27.5 cm., ri=10 cm.
Valores finales: re=17.5 cm., ri=10 cm.
La capa aislante consta de dos partes la grasa (Kg=0.11 W/mK) y
la pluma engrasada cuyo espesor y conductividad son variables
para compensar las variaciones climáticas externas y la reducción
de la capa de grasa 0.03 W/mK<Kp<0.06W/mK.
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
53
Entropía: definición.
Definición de ENTROPÍA:
La ENTROPÍA es una función de estado, en cualquier proceso sólo depende de
los estados inicial y final.
Qrev
Si − S f =
T
En un proceso reversible:
∆SUniverso = ∆S gas + ∆S Foco = 0
En un proceso irreversible:
∆SUniverso = ∆S gas + ∆S Foco > 0
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
54
Corolario.
∆SUniverso = 0
Transformación REVERSIBLE.
∆SUniverso > 0
Transformación IRREVERSIBLE.
¡No es posible ninguna transformación que haga disminuir la
entropía del universo!
¡Se puede disminuir la entropía de un sistema a cambio de
aumentar la de otro, de tal forma que el balance de entropía del
universo siempre aumente!
∆SUniverso = ∆S sistema + ∆Sentorno ≥ 0
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
55
Entropía de la incubación.
Hay una estrecha relación en los procesos físicos entre
la entropía y el orden:
Aumento de entropía se desordenan los sistemas.
Disminución de entropía se ordenan los sistemas.
Ejemplo: congelación del agua a temperatura constante.
Aumenta la entropía del sistema al pasar de líquido a sólido
hay que extraer calor del agua (-L) por lo que disminuye la
entropía y el sólido está en un estado más ordenado.
S sólido − Slíquido
−L
=
<0
Tf
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
56
Entropía de la incubación.
La incubación es un proceso termodinámico que se realiza
a Temperatura constante (37ºC). Para mantener esta
temperatura el padre intercambia calor con el huevo que
genera su proceso de crecimiento y desarrollo.
Sistema = huevo.
Entorno = Pingüino padre.
Variación de entropía durante la incubación:
S pollito − S germen =
−Q
Tpingüino
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
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57
Entropía de la incubación.
¿Qué estado del sistema huevo está más ordenado, al
inicio de la incubación o al final con el pollo
desarrollado?
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
58
Entropía de la incubación.
Más ordenado el pollo que su germen en el huevo.
Por lo que su entropía ha disminuido durante la incubación.
Pero la entropía del Universo debe haber aumentado.
∆SUniverso = ∆Shuevo + ∆S padre ≥ 0
∆Shuevo < 0 ⇒ ∆S padre > 0
∆S padre =
∆Shuevo < ∆S padre
+Q
Tpingüino
¡El padre absorbe calor a temperatura constante
para que el huevo disminuya su entropía y se
desarrolle!
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
59
¿Qué fue antes el huevo a la gallina?
Cap_I_Tema_1_Lección_Tercera.
FPN (Prof. RAMOS)
60