Energía y cambio climático

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Segunda parte del tema del Programa del Diploma del Bachillerato Internacional

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Energía y cambio climático

  1. 1. Energía, potencia y cambio climático<br />
  2. 2. Índice<br />1. Degradación de la energía y generación de potencia eléctrica.<br />2. Fuentes de energía en el mundo.<br />3. Producción de energía a partir de combustibles fósiles.<br />4. Producción de energía a partir de combustibles no fósiles.<br />5. Efecto invernadero.<br />6. Calentamiento global.<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />2<br />
  3. 3. 5. El efecto invernadero<br />La atmósfera, esa delgada capa de gases que envuelve la Tierra, ha hecho posible la existencia de la vida tal y como la conocemos.<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />3<br />Astronomypictures of theday<br />Apolo 17. Nasa.<br />
  4. 4. Sin la atmósfera, la temperatura efectiva de la Tierra calculada teóricamente sería alrededor de -18ºC, 33ºC inferior a la temperatura media del planeta, unos 15ºC.<br />Este efecto del calentamiento del planeta debido a la atmósfera es el denominado EFECTO INVERNADERO. <br />Su aumento por causas humanas se conoce como EFECTO INVERNADERO INTENSIFICADO.<br />03/03/2011<br />Taringa.net<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />4<br />
  5. 5. ¿-18ºC ? Un modelo simplificado<br />A la Tierra llega un flujo solar incidente, pero no todo es absorbido. Parte del mismo se refleja, pudiéndose caracterizarse este fenómeno mediante el albedo α.<br />α = Intensidad reflejada (Ir)/Intensidad incidente (I)<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />5<br />
  6. 6. α = Ir/I<br />Así Ir = α I<br />El albedo global anual medio α se calcula en un 0,3 (30%) aproximadamente.<br />03/03/2011<br />Puertorico.contrytoolbox.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />6<br />
  7. 7. 03/03/2011<br />Meteored.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />7<br />
  8. 8. La Tierra: sistema en equilibrio energético. Balance de radiación nulo<br />03/03/2011<br />Physicsforthe IB Diploma. Cambridge<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />8<br />
  9. 9. Energía solar<br />03/03/2011<br />La luminosidad del sol es P = 3,9 . 10 26 W.<br />Este cálculo se ha hecho mediante la aplicación de las leyes de Wien y Stefan-Boltzman de la radiación del cuerpo negro.<br />Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />9<br />
  10. 10. 03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />10<br />Max Planck. Astrocosmo.cl<br />NOTA: <br />Si consideramos la Tierra un cuerpo negro a 15ºC (288 K)<br />λmax = 2,9 . 10-3 m K/288 K<br />λmax = 1.10-5 m (infrarrojos)<br />Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.<br />
  11. 11. 03/03/2011<br />Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />11<br />
  12. 12. Intensidad incidente (I)<br />03/03/2011<br />La luminosidad del sol es P = 3,9 . 10 26 W.<br />Esta energía se distribuye uniformemente sobre la superficie de una esfera imaginaria de r = 1,50 . 10 11 m. (Distancia Sol-Tierra).<br />La constante solar (S) es la cantidad de energía solar que llega por segundo a un área de 1 m2 de la atmósfera terrestre con los rayos del sol perpendiculares.<br />S = P/4 π r2 = 3,9 . 10 26 W/ 4 π (1,50 . 10 11 m)2 = 1380 W m-2, redondeada a S = 1400 W m-2 . <br />Puede variar ± 1,5% según la emisión del sol y ± 4% por la variación de la distancia Tierra-Sol (órbita elíptica).<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />12<br />
  13. 13. 03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />13<br />Así:<br />I = S/4<br />I = 1400 W m-2/4 <br />I = 350 W m-2<br />Physicsforthe IB Diploma. Cambridge<br />
  14. 14. ¿-18 ºC ? Un modelo simplificado<br />03/03/2011<br />La potencia P recibida en un área A de la Tierra:<br />P = (1-α) I A = (1-α) (S/4) A <br />La potencia emitida por la Tierra como cuerpo negro (ley Stefan-Boltzman):<br />P = σ A T4 Igualando:<br /> (1-α) S = 4 σ T4<br />Dando valores: α = 0,30; S = 1400 Wm-2 y σ = 5.67 10-8 W m-2 K-4<br />T = 255 K aprox (-18 ºC)<br />Physicsforthe IB Diploma. Cambridge<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />14<br />
  15. 15. Modificaciones al modelo<br />03/03/2011<br />La Tierra no se comporta como un cuerpo negro perfecto. Hay que considerar la emisividad ε.<br />La emisividad es el cociente entre la potencia radiada por unidad de área por el objeto y la potencia radiada por unidad de área por un cuerpo negro a la misma temperatura.<br />ε varia entre 0 y 1 (cuerpo negro perfecto).<br />Así, P emitida = εσ A T4<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />15<br />
  16. 16. Modificaciones al modelo<br />03/03/2011<br />Si la potencia de radiación entrante no es igual a la potencia de radiación saliente, el cambio de la temperatura en un período de tiempo puede calcularse:<br />∆ T = (I in – I out) t /Cs<br />Cs = Capacidad calorífica superficial = Energía requerida para aumentar en 1 grado la temperatura de la unidad de superficie de un planeta. Se mide en J m-2 K-1<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />16<br />
  17. 17. 03/03/2011<br />Physicsforthe IB Diploma. Cambridge<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />17<br />
  18. 18. 03/03/2011<br />Physicsforthe IB Diploma. Cambridge<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />18<br />
  19. 19. Modificaciones al modelo<br />03/03/2011<br />El planeta no es un cuerpo simple.<br />No se pueden ignorar las interacciones en la atmósfera o los océanos.<br />Hay que tener en cuenta que muchos procesos se retroalimentan al cambiar el valor de las constantes implicadas en el cálculo (α, ε). <br />Por ejemplo, un aumento en la temperatura del planeta puede causar la fusión del hielo, lo cual modifica el albedo….<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />19<br />
  20. 20. 03/03/2011<br />Lacomunidad.elpais.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />20<br />
  21. 21. 03/03/2011<br />Serdioclima.blogspot.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />21<br />
  22. 22. 03/03/2011<br />Monografías.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />22<br />
  23. 23. 03/03/2011<br />Temas Investigación y Ciencia 45. Cambio climático.<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />23<br />
  24. 24. Gases Invernadero: Vapor de agua (H2O)<br />03/03/2011<br />Aprendiendobiologiaenquinto.blogspot.com<br />Procede de la evaporación del agua de océanos, lagos y ríos.<br />Su calor efectivo comparado con el CO2 (1) es 0,1.<br />Apenas contribuye al incremento del calentamiento global.<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />24<br />
  25. 25. Gases Invernadero: Dióxido de carbono (CO2)<br />03/03/2011<br />Expower.es<br />Fuentes naturales: incendios forestales, erupciones volcánicas, evaporación …<br />Fuentes artificiales: Combustión de combustibles fósiles y quema de bosques.<br />Su calor efectivo se toma como 1 para comparar.<br />Contribuye al incremento del calentamiento global en un 43% aprox.<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />25<br />
  26. 26. Gases Invernadero: Metano (CH4)<br />03/03/2011<br />Expower.es<br />Fuentes naturales: incendios forestales, erupciones volcánicas, evaporación …<br />Fuentes artificiales: Combustión de combustibles fósiles y quema de bosques.<br />Su calor efectivo comparado con el CO2 (1) es 30.<br />Contribuye al incremento del calentamiento global en un 27% aprox.<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />26<br />
  27. 27. Gases Invernadero: Monóxido de dinitrógeno (N2O)<br />03/03/2011<br />Fuentes naturales: Bosques, océanos, suelos, praderas, actividad microbiana.<br />Fuentes artificiales: Fertilizantes, combustión combustibles fósiles, manufactura del cemento, deforestación (disminuye la fijación de nitrógeno por las plantas).<br />Su calor efectivo comparado con el CO2 (1) es 150.<br />Contribuye al incremento del calentamiento global en un 4% aprox.<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />27<br />
  28. 28. Otros gases invernadero: <br />03/03/2011<br />El OZONO (O3) también contribuye al efecto invernadero. Su calor efectivo comparado con el CO2 es de 2000 y su contribución al incremento del calentamiento globlal es en torno al 10%.<br /> Los CLOROFLUOROCARBONOES (CFCs), usados en refrigerantes, propelentes y disolventes también contribuyen en otro 10%. Su calor efectivo comparado con el CO2 es de más de 10 000.<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />28<br />
  29. 29. ¿Por qué son gases invernadero?<br />En los átomos, la energía de los electrones está cuantizada. Existen niveles de energía permitidos.<br />Las moléculas también tienen niveles de energía cuantizados asociados a sus movimientos rotacionales o vibracionales.<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />29<br />
  30. 30. Modos vibracionales y rotacionales del CO2<br />03/03/2011<br />PhysicsCourseCompanion. IB Diploma. Oxford<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />30<br />
  31. 31. A.1 DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURAS<br />Técnicas espectroscópicas<br />ESPECTROS DE ABSORCIÓN<br />Cuando un compuesto orgánico se expone a radiación em, absorbe energía de ciertas longitudes de onda.<br />El que la energía de la luz sea absorbida o no depende tanto de la estructura del compuesto como de la longitud de onda de la radiación.<br />La molécula gana energía cuando absorbe radiación. Esto puede incrementar los movimientos moleculares: los enlaces pueden alargarse, flexionarse o girar. Alternativamente, pueden excitarse electrones pasando a orbitales de mayor energía<br />La cantidad de energía que una molécula contiene no varía de manera continua sino que está CUANTIZADA.<br />
  32. 32. A.1 DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURAS<br />Técnicas espectroscópicas<br />ESPECTROS DE ABSORCIÓN<br />Las longitudes de enlace son en realidad promedios. Los enlaces continuamente se estiran y flexionan, se alargan y se contraen. (Resorte).<br />Cuando la molécula se irradia con radiación em, el enlace de vibración absorbe energía radiante si las frecuencias de la radiación y de la vibración son iguales. CADA FRECUENCIA DE LUZ ABSORBIDA CORRESPONDE A LA VIBRACIÓN DE UN ENLACE ESPECÍFICO.<br />Cuando una molécula absorbe radiación infrarroja, la vibración molecular con frecuencia igual a la de la luz aumenta en intensidad (fenómeno de resonancia en m.a.s). <br />Si el material se irradia con energía de muchas longitudes de onda y se determina qué longitudes de onda absorbe y cuáles pasan a través, es posible determinar el ESPECTRO DE ABSORCIÓN del compuesto.<br />
  33. 33. A.1 DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURAS<br />Técnicas espectroscópicas<br />2. ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO (IR)<br /><ul><li> Permite averiguar la naturaleza de los grupos funcionales presentes.
  34. 34. Número de onda = 1/ l</li></li></ul><li>1. ESPECTROSCOPÍA DE INFRARROJO<br />Interpretación de espectros<br />A.1 DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURAS<br />Técnicas espectroscópicas<br />
  35. 35. Transmitancia IR gases invernadero<br />03/03/2011<br />Physicsforthe IB Diploma. Cambridge<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />35<br />
  36. 36. Transmitancia IR gases invernadero<br />03/03/2011<br />Physicsforthe IB Diploma. Cambridge<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />36<br />
  37. 37. 03/03/2011<br />Imagen: IB Study Guides. Physics. Tim Kirk. Oxford.<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />37<br />
  38. 38. Frecuencias de resonancia<br />El mecanismo preciso para explicar las frecuencias de absorción es complejo y requiere el uso de la mecánica cuántica.<br />Intentaremos comprender la absorción con un modelo sencillo que supone que la molécula (diatómica) se comporta como un oscilador armónico de frecuencia natural ω = (k/m)1/2siendo k la constante del oscilador y m su masa.<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />38<br />
  39. 39. Frecuencias de resonancia<br />03/03/2011<br />Physicsforthe IB Diploma. Cambridge<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />39<br />
  40. 40. Modelos simulados<br />Simular con Excel un modelo climático sencillo.<br />Hoja Oxford<br />Simulaciones informáticas para modelos más complejos.<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />40<br />
  41. 41. 6. Calentamiento global<br />03/03/2011<br />Loshinojos.wordpress.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />41<br />
  42. 42. 6. Calentamiento global<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />42<br />Glaciar Norte de Monte Perdido. Huesca<br />1910 (LucienBriet)<br />1970<br />lacrabadelmonte.blogspot.com <br />Actualidad. Simonelías.desnivel.com<br />
  43. 43. 6. Calentamiento global <br />03/03/2011<br />Bismark77.oblog.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />43<br />
  44. 44. 6. Calentamiento global <br />03/03/2011<br />trinityatierra.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />44<br />
  45. 45. 6. Calentamiento global <br />03/03/2011<br />abadiadigital.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />45<br />
  46. 46. Posibles causas: <br />03/03/2011<br />Variaciones en la composición de gases invernadero en la atmósfera<br />Concentrado.blogspot.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />46<br />
  47. 47. Posibles causas: <br />03/03/2011<br />Variaciones en la composición de gases invernadero en la atmósfera<br />atinachile.cl<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />47<br />
  48. 48. Posibles causas: <br />03/03/2011<br />Variaciones en la composición de gases invernadero en la atmósfera<br />Temas Investigación y Ciencia. 45. Cambio climático<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />48<br />
  49. 49. 03/03/2011<br />Temas Investigación y Ciencia. 45. Cambio climático<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />49<br />
  50. 50. Posibles causas: <br />03/03/2011<br />Variaciones en la actividad solar<br />Manchas solares. foro.meteored.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />50<br />
  51. 51. 03/03/2011<br />Clubdeastronomia.wordpress.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />51<br />
  52. 52. 03/03/2011<br />Temas Investigación y Ciencia. 45. Cambio climático<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />52<br />
  53. 53. Posibles causas: <br />03/03/2011<br />Cambios cíclicos en la órbita de la Tierra<br />Skepticalscience.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />53<br />
  54. 54. 03/03/2011<br />Web.me.com<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />54<br />
  55. 55. Posibles causas: <br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />55<br />Variaciones en la actividad volcánica<br />Foro.meteored.com<br />atinachile.cl<br />
  56. 56. ¿Qué puede aumentar el ritmo del calentamiento global ?<br />El calentamiento global reduce las capas de hielo/nieve, lo cual a su vez modifica el albedo, aumentando el ritmo de absorción de calor.<br />El aumento de la temperatura reduce la solubilidad del CO2 en el mar y aumenta las concentraciones atmosféricas.<br />Aumenta la evaporación del agua.<br />La deforestación reduce la fijación de carbono.<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />56<br />
  57. 57. Posibles consecuencias: aumento del nivel del mar<br />El coeficiente de expansión de volumen es la variación fraccional en volumen por grado de variación en la temperatura.<br />γ = ∆ V/(Vo ∆T)<br />Unidades de γ = K-1 o ºC-1<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />57<br />
  58. 58. Posibles consecuencias: aumento del nivel del mar<br />Entre 0ºC y 4ºC γ es negativo para el agua.<br /> Si la temperatura del agua aumenta dentro de ese rango, su volumen disminuye. Así, cuando el hielo que flota sobre el mar funde, el nivel del agua inicialmente decrece. <br />El hielo ártico flota sobre el mar.<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />58<br />
  59. 59. Posibles consecuencias: aumento del nivel del mar<br />El hielo continental (Antártida y glaciares), no desplaza agua cuando funde y sí que aumenta el nivel del mar.<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />59<br />Btm.blogia.com<br />
  60. 60. 03/03/2011<br />Realinstitutoelcano.org<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />60<br />
  61. 61. 03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />61<br />
  62. 62. Posibles soluciones<br />Reducción del consumo energético.<br />Eficiencia energética de edificios.<br />Mayor rendimiento en la producción de energía.<br />¿Captura dióxido de carbono?<br />Reemplazar el uso de carbón y petroleo<br />Reforestación<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />62<br />
  63. 63. El problema es global, el esfuerzo debe ser mundial<br />Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC).<br />Protocolo de Kyoto.<br />Sociedad de Asia y el Pacífico para el Desarrollo Limpio y el Clima (APPCDC).<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />63<br />
  64. 64. La solución está en manos de todos<br />03/03/2011<br />ENERGÍA, POTENCIA Y CAMBIO CLIMÁTICO<br />64<br />

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