calor latente - Relación Suelo Agua Planta

HE PREPARADO ESTE CURSO EN HOMENAJE A
DON ELÍAS LETELIER ALMEYDA
EL HOMBRE QUE NOS ENSEÑÓ A PENSAR ANTES DE HACER
Edmundo Acevedo H
2010
BIOFISICA AMBIENTAL
Año 2010
INTRODUCCIÓN
Edmundo Acevedo H
Profesor Titular
Universidad de Chile
www.sap.uchile.cl
UNIVERSIDAD DE CHILE
PROGRAMA DE DOCTORADO CSAV
CURSO MODULAR
AÑO 2004
BIOFISICA AMBIENTAL
•INTRODUCCIÓN
•TEMPERATURA
•VAPOR DE AGUA Y OTROS GASES
•EL AGUA LIQUIDA EN LOS ORGANISMOS Y SU MEDIO
•VIENTO
•TRANSPORTE DE MASA Y CALOR
•CONDUCTANCIAS PARA LA TRANSFERENCIA DE MASA Y CALOR
•MOVIMIENTO DE CALOR EN EL SUELO
•MOVIMIENTO DE AGUA EN EL SUELO
•RADIACIÓN
•FLUJOS DE RADIACIÓN EN MEDIOS NATURALES
•PLANTAS Y COMUNIDADES DE PLANTAS
La Biofísica Ambiental estudia el intercambio de masa y energía entre
los organismos vivos y su medio.
•Describir y modelar el microambiente físico en que se
encuentran los organismos.
•Uso de modelos simples para describir los intercambios de
materia y energía entre los organismos y su microambiente,
además de la respuesta de los organismos a los flujos de
materia y energía.
¿Porqué estudiar estas materias?
Porque es común que se interprete mal la interacción con
el medio y no se comprendan bien las variables
ambientales.
Prácticamente todas las interacciones con el medio encierran
intercambios de masa y / o energía.
Ejemplos.•El escritorio de madera y el candado del escritorio están
a igual temperatura en una pieza, sin embargo, al tocarlos se siente
más frío el candado. Esto es porque lo que nosotros sentimos
no es temperatura sino que cambios en temperatura, los que no
sólo dependen de un gradiente de temperatura sino, además, de
la conductividad térmica de los materiales. El metal es mejor
conductor térmico que la madera (B.Franklin,1757).
•Podemos ver porque fotones que son emitidos o refleja dos por el medio entran al ojo y causan reacciones fotoquímicas
en la retina.
•La audición es el producto de absorción de energía acústica desde
el medio.
•El olfato es el resultado del flujo de gases y aerosoles hacia senso res del olfato.
Cada sensación envuelve el flujo de algo desde o hacia el organismo.
En estado de régimen estacionario:
Flujo = g ( Cs – Ca )
Cs es la concentración en la superficie de intercambio del organismo
Ca es la concentración en el ambiente
g es la conductancia del intercambio
MICROAMBIENTE
El microambiente es parte de todo individuo : casa, cama,
automovil, otros. El “tiempo” en estos lugares generalmente no
puede medirse por las variables de tiempo que se informan.
Es posible, por ejemplo, que a una temperatura del ambiente de
10° C y con un viento de 5 m/s, un insecto que se proteja en la huella
de un animal y que esté expuesto a la radiación solar, puede estar
a 25°C.
Es el MICROAMBIENTE lo que interesa cuando se considera el
intercambio de energía de un organismo. Por ello generalmente se
requieren instrumentos especializados para medir las variables
ambientales relevantes.
INTERCAMBIO DE ENERGÍA
La energía puede ser intercambiada como energía química almacenada,
energía calórica, energía radiante o energía mecánica. Nos centraremos
fundamentalmente en el transporte de calor y radiación
Comunmente reconocemos cuatro formas de transferencia de energía:
•Intercambio radiativo ( ponerse al sol )
•Conducción ( baldosas frías )
•Convección ( viento helado )
•Calor latente ( calor pegajoso )
Trataremos de comprender los principios que hay detrás de estos
procesos.
El calor total de una substancia es proporcional a la energía cinética
total de sus moléculas. La temperatura es una medida de la energía
cinética media de las moléculas en la substancia.
La transferencia de calor se produce de mayor a menor temperatura
por conducción, que corresponde a una interacción molecular directa.
El calor transferido por un fluido en movimiento se llama convección.
El calor se transfiere primero al fluido por conducción y el movimiento
del fluido se lleva el calor almacenado.
El intercambio por radiación no requiere de moléculas para transferir
energía desde una superficie a otra. Una superficie irradia energía a
una tasa proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
El agua absorbe 2450 julios por gramo para pasar del estado líquido al
gaseoso a 20°C ( calor latente de vaporización ). Casi 600 veces la
energía requerida para subir la temperatura de un gramo de agua en
un grado celcius.
La evaporación de agua desde un organismo, incluyendo al calor
latente para convertir el agua líquida en vapor y la convección del
vapor desde el organismo es un modo de transferencia de
energía muy efectivo.
TRANSFERENCIA DE MOMENTO Y ENERGÍA
La fuerza del viento o del agua sobre un organismo es una manifestación
de la transferencia de momento desde el fluido al organismo.
El transporte de momento, oxígeno, dióxido de carbono y otras propiedades en los fluidos siguen principios similares a los de la transferencia
convectiva del calor. Aplica el mismo conjunto de principios.
Perfil del Viento
120
100
Altura, z
m1v1
80
m2v2
60
m3v3
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Velocidad del viento, u
8
9
10
CONSERVACIÓN DE MASA Y ENERGÍA
La ley de conservación de masa y energía establece que la masa y
la energía no pueden ser creadas ni destruidas por medios ordinarios.
Ejemplo:
Balance de energía de una superficie con vegetación:
Rn + M + H + λE = G
Rn es el flujo neto de radiación absorbido por la superficie.
M representa el suministro de energía a la superficie por metabolismo
o la absorción de energía por la fotosíntesis.
H es la tasa de pérdida de calor sensible por convección o conducción
λE es la tasa de pérdida de calor latente desde la superficie.
G es la tasa de almacenamiento de calor en el suelo y en la vegetación.
La ley de conservación de masa y energía puede servir a varios
fines:
• Estimar uno de los términos conociendo los otros (ej. E )
• Todos los términos del balance dependen de la temperatura de la
superficie. Por ello, para determinadas condiciones ambientales
(temperatura del aire, radiación solar, presión de vapor) hay sólo
una temperatura que satisfaga al balance de energía. Se puede
encontrar esa temperatura.
CONTINUIDAD EN LA BIÓSFERA
La BIÓSFERA constituye el lugar de vida de los animales y plantas
e incluye los ambientes del suelo y la atmósfera.
Puede mirarse como un CONTINUO para los componentes de los
sistemas.
Existe continuidad (atmósfera, planta, suelo) para los gases y el
agua. Las interfases entre líquido y gas constituyen regiones donde
las moléculas de agua pasan de un estado a otro con el correspondiente intercambio de calor latente.
Los intercambios de masa y energía están vinculados a través del
calor latente.
El suelo está unido a la atmósfera por fenómenos de conducción y
difusión a través de los poros y a través del sistema vascular de las
plantas.
Se pueden aplicar los principios de conservación de masa y energía
a la totalidad del sistema o a componentes específicos ( una planta,
hoja, vaso del xilema, célula).
Las ecuaciones de transporte también pueden aplicarse a todo el
sistema o a un componente.
La masa o energía de una parte del sistema puede fluir en forma continua a otra parte. Las consecuencias de estas interacciones es lo que
se estudia en “Biofísica Ambiental”.
RADIACIÓN
TÉRMICA
+
RADIACIÓN
SOLAR
PRECIPIT.
II
II
CALOR +
LATENTE
+
ESCURR.
SUPERFICIAL
+
DRENAJE
+
ALMAC.
AGUA
CALOR +
SENSIBLE
ALMAC
CALOR
+ PN
+
RESP.SUELO
+
ALMAC. C
II
FLUJO CO2
=
RADIACIÓN
NETA
MODELOS
•Son una representación simple de una forma o fenómeno
complejo.
•Enfatizaremos modelos matemáticos, determinísticos, de los
sistemas físcos y biológicos.
•La homogeneidad depende de la escala espacial del problema.
UNIDADES
SI : metro (m) ; kilógramo (kg) ; segundo (s) ; Kelvin
(K) para temperatura y el mol (mol) para cantidad.
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